Một số giải pháp hạn chế sóng hài trong lưới điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng

Một số giải pháp hạn chế sóng hài trong lưới điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng Một số giải pháp hạn chế sóng hài trong lưới điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng Một số giải pháp hạn chế sóng hài trong lưới điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TẠ HÙNG VIỆT MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI TRONG LƯỚI ĐIỆN NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS BÙI ĐỨC HÙNG HÀ NỘI, NĂM 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố luận văn tác giả khác Tôi xin chịu trách nhiệm nội dung cam đoan Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2012 Tác giả Tạ Hùng Việt MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ KHÁI NIỆM SÓNG HÀI TRONG LƯỚI ĐIỆN .3 1.1 Tổng quan chất lượng điện 1.2 Một số khái niệm sóng hài 1.2.1 Định nghĩa sóng hài 1.2.2 Méo dòng điện méo điện áp 1.2.3 Các đại lượng điện trạng thái chứa sóng hài 1.3 Độ méo giới hạn độ méo sóng hài 13 1.3.1 Khái niệm độ méo 13 1.3.2 Giới hạn độ méo sóng hài 16 1.4 Nguyên nhân xuất sóng hài 17 1.4.1 Phi tuyến 17 1.4.2 Tải phi tuyến lưới 19 1.5 Tiêu chuẩn sóng hài cho phép 20 1.6 Các phương pháp đánh giá sóng hài 23 1.7 Kết luận chương 25 CHƯƠNG 2: PHỤ TẢI PHI TUYẾN VÀ NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH SÓNG HÀI 26 2.1 Tổng quan phụ tải phi tuyến 26 2.2 Các tải tiêu dùng .27 2.2.1 Đèn huỳnh quang 27 2.2.2 Nguồn cấp pha 28 2.3 Các tải công nghiệp 31 2.3.1 Máy biến áp 32 2.3.2 Máy điện quay 32 2.3.3 Các thiết bị hồ quang điện 32 2.3.4 Các thiết bị công suất điều khiển bán dẫn 33 2.4 Các tính chất đáp ứng hệ thống 34 2.4.1 Trở kháng hệ thống 34 2.4.2 Mạch cộng hưởng song song 35 2.4.3 Mạch cộng hưởng nối tiếp 37 2.4.4 Tác động điện trở tải mang tính chất trở 38 2.5 Kết luận chương 38 CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI BẬC CAO ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN 40 3.1 Ảnh hưởng đến máy biến áp .40 3.2 Ảnh hưởng đến máy điện quay 41 3.3 Ảnh hưởng đến thiết bị đóng cắt 46 3.4 Ảnh hưởng đến tụ điện 47 3.5 Ảnh hưởng đến cầu chì 47 3.6 Ảnh hưởng đến rơ le bảo vệ .48 3.7 Ảnh hưởng đến dụng cụ đo lường 48 3.8 Ảnh hưởng đến dụng cụ đo lường 49 3.9 Ảnh hưởng đến đến dây cáp điện 49 3.10 Ảnh hưởng đến thiết bị điện khác 49 3.11 Hiệu kinh tế việc giảm sóng hài 50 3.12 Kết luận chương 51 CHƯƠNG 4: CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 52 4.1 Đánh giá sóng hài .52 4.1.1 Khái niệm điểm đầu nối chung PCC 52 4.1.2 Đánh giá sóng hài hệ thống phân phối 52 4.1.3 Đánh giá sóng hài thiết bị người sử dụng 53 4.2 Vị trí điều chỉnh điều hịa 55 4.2.1 Trên hệ thống phân phối nhà cung cấp 55 4.2.2 Trên thiết bị người sử dụng 55 4.3 Các biện pháp hạn chế sóng hài 56 4.3.1 Giảm dòng điều hòa bậc cao tải 57 4.3.2 Lọc 57 4.3.3 Điều chỉnh đáp ứng tần số hệ thống 57 4.4 Các thiết bị để điều chỉnh hạn chế sóng hài 58 4.4.1 Cuộn kháng tuyến tính 58 4.4.2 Các lọc thụ động 60 4.4.3 Các lọc tích cực 65 4.5 Các biện pháp khắc phục hài thứ tự không 69 4.6 Kết luận chương 71 CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM TÍNH TOÁN BỘ LỌC CHO NGUỒN TẢI TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 72 5.1 Khái quát chung hệ biến tần – động 72 5.1.1 Bộ biến tần trực tiếp ( xoay chiều – xoay chiều) 73 5.1.2 Bộ biến tần gián tiếp 74 5.2 Khái quát chung hệ biến tần – động 76 5.2.1 Các thiết bị dụng cụ sử dụng thí nghiệm 76 5.2.2 Thí nghiệm chưa có lọc 80 5.3 Khái quát chung hệ biến tần – động 82 5.3.1 Cách giải 82 5.3.2 Ưu điểm lọc LC 82 5.3.3 Nhược điểm lọc LC 82 5.3.4 Nguyên lý lọc dòng điện lọc LC 82 5.3.5 Phương trình hàm truyền 83 5.4 Lựa chọn thông số cho lọc 84 5.4.1 Lựa chọn tần số cắt 84 5.4.2 Lựa chọn điện cảm L điện dung C 84 5.4.3 Chế tạo lọc thử nghiệm cuộn kháng 86 5.5 Kết thí nghiệm lắp lọc 87 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 89 KẾT LUẬN 90 CÁC TỪ VIẾT TẮT THD: Tổng méo điều hòa ( Total Harminic Distortion) TDD: Tổng méo nhu cầu (Total Demand Distorton) PF: Hệ số công suất (Power Factor) DPF: Hệ số công suất dịch (Displacement Power Factor) PWM: Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) ASD: Điều chỉnh tốc độ (Adjustable Speed Drives) PCC: Điểm đổi nối chung (Point of Common Coupling) IEEE: Viện kĩ thuật điện điện tử (Institue of Electrical and Electronic Engineers) IEC: Ủy ban điện quốc tế(International Electronical Commission) ANSI: Viện tiêu chuẩn Mỹ (Amercian National Standards Institute) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 : Độ biến dạng điện áp sóng hài Bảng 4.1 : Giới hạn điện áp điều hòa tỉ lệ phần trăm điện áp tần số định mức Bảng 4.2 : Giới hạn dòng điện điều hào tỉ lệ phần trăm LL Bảng 5.1 : Thông số kỹ thuật biến tần Bảng 5.2 : Thông số kỹ thuật đo điện áp Bảng 5.3 : Thông số kỹ thuật đo dịng điện Bảng 5.4 : Thơng số kỹ thuật đo bậc điều hòa Bảng 5.5 : Trị số độ méo THD thành phần điều hòa pha Bảng 5.6 : Mức suy giảm bậc điều hòa Bảng 5.7 : Trị số độ méo THD thành phần điều hòa pha sau lắp lọc DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Chương 1: Hình 1-1 : a Dạng sóng hình sin; b Dạng sóng hình sin bị biến dạng sóng hài Hình 1-2: Phân tích sóng sóng hài Hình 1-3: Phổ tần sóng hài Hình 1-4: Điện áp hài gây dịng hài bậc cao chảy hệ thống Hình 1-5: Méo dịng gây tải phi tuyến Hình 1-6: Phi tuyến xung dịng điện sét đánh Hình 1-7: Dao động phi tuyến Chương 2: Hình 2-1: Dạng sóng dịng điện phổ tần đèn huỳnh quang Hình 2-2: Nguồn chiều chế độ đóng cắt Hình 2-3: Phổ tần sóng hài sinh PC máy in Hình 2-4: Nguồn chiều gồm chỉnh lưu cầu pha tụ điện Hình 2-5: Dạng dịng điện tải phát điều hịa Hình 2-6: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển xung Hình 2-7: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ứng dụng PWM Hình 2-8: Hệ thống với tiềm cộng hưởng song song Hình 2-9: Hệ thống với tiềm cộng hưởng nối tiếp Hình 2-10: Sơ đồ thay đơn giản mạch cộng hưởng nối tiếp Chương 4: Hình 4-1: Hình ảnh cuộn kháng tuyến tính dùng lọc sóng hài Hình 4-2: Kháng lọc sóng hài mạch Inverter Hình 4-3: Kháng lọc sóng hài mạch hệ thống tụ bù Hình 4-4: Sơ đồ nguyên lý lọc sóng hài kiểu rẽ nhánh Hình 4-5: Sơ đồ nguyên lý lọc thụ động nối tiếp Hình 4-6: Sơ đồ nguyên lý lọc thông thấp LC Hình 4-7: Hình ảnh lọc thơng thấp Hình 4-8: Một ứng dụng lọc thơng thấp hệ thống cơng nghiệp Hình 4-9: Sơ đồ ngun lý hình ảnh lọc sóng hài lưới điện Hình 4-10: Hình ảnh sơ đồ nguyên lý lọc tụ Hình 4-11: Sơ đồ nguyên lý lọc tích cực Hình 4-12: Sơ đồ ngun lý dạng sóng dịng áp lưới điện khơng có lọc có lọc tích cực mắc song song Hình 4-13: Sơ đồ nguyên lý lọc lắp cho mạch điều chỉnh tốc độ động Inverter Hình 4-14: Sơ đồ nối lọc tích cực làm việc nối tiếp với lưới Hình 4-15: Sơ đồ nối lọc tích cực làm việc song song với lưới Hình 4-16: Sơ đồ lọc tích cực nối hỗn hợp với lưới Hình 4-17: Hình ảnh thiết bị lọc tích cực ABB Hình 4-18: Sơ đồ nguyên lý cuộn dây máy biến áp đấu kiểu zigzag Hình 4-19: Biến áp đấu Y/ đấu Zig zag sử dụng để bẫy hài vào dây trung tính hệ thống pha dây cấp cho tải phi tuyến Chương 5: Hình 5-1: Hình ảnh biến tần hãng SIEMENS Hình 5-2: Sơ đồ cấu trúc biến tần trực tiếp Hình 5-3: Dạng sóng hài bậc dịng, áp tải chế độ làm việc khâu biến tần trực tiếp Hình 5-4: Sơ đồ nguyên lý biến tần gián tiếp Hình 5-5: Dạng sóng phía nguồn cấp Hình 5-6: Dạng sóng phía động Hình 5-7: Ảnh chụp biến tần Micromaster 420 Hình 5-8: Ảnh chụp máy đo dạng sóng phân tích phổ tần Energytest 2020E Hình 5-9: Sơ đồ nối hệ thống thí nghiệm chưa có lọc Hình 5-10: Dạng sóng dịng điện Hình 5-11: Phổ tần sóng dịng điện Hình 5-12: Sơ đồ lọc hệ thống Hình 5.17 Sơ đồ thử nghiệm cuộn kháng Kết thử nghiệm với thông số q trình thiết kế tính tốn cuộn kháng Bộ lọc có tụ điện nối hình tam giác với thông số: - Điện dung C=30μF - Điện áp định mức 400V 5.5 Kết thí nghim cú lp b lc lục vàng đỏ đen Energytest 2020E cáp RS 232 L1 U V L2 L3 Bé läc LC A B C BiÕn ¸p tù ngÉu Y PE W Micromaster 420 A B C A B C N BiÕn ¸p tù ngÉu Y OFF ON Aptomat 220/380 Hình 5.18 Sơ đồ nối hệ thống thí nghiệm lắp thêm lọc - 87 - Nối lọc với hệ thống đo đạc Oscilloscope Energytest 2020E ta có dạng sóng phát từ tải biến tần có dạng: Hình 5.19 Dạng sóng dịng điện sau lắp lọc I1 I2 I3 100.00 100.00 100.00 5.85 5.29 5.63 11.53 10.06 11.78 4.87 4.29 4.13 THD Bảng 5.7 14.04 THD 13.14 THD 13.45 Trị số độ méo THD thành phần điều hòa pha sau lắp lọc I1 I2 I3 Hình 5.20 Phổ tần sóng dịng điện sau lắp lọc - 88 - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Sử dụng biến tần điều khiển tốc độ động áp dụng nhiều hệ thống truyền động bên cạnh ưu điểm vượt trội kỹ thuật biến tần hoạt động lại phát sinh sóng hài làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện Vì việc phải hạn chế sóng hài biến tần phát cần thiết Trong thí nghiệm tác giả chọn lọc LC để lọc sóng hài cho hệ biến tần động Với kết đo sau lắp lọc đo đạc thông số ta thấy độ méo THD giảm từ 106% xuống 13- 14% Kết chưa đạt yêu cầu đặt theo tiêu chuẩn IEEE 529-1992 10% Nguyên nhân không đạt kết mong muốn sai số chế tạo cuộn kháng nhiều yếu tố khác tác động đến kết đo tiến hành thí nghiệm Nếu hiệu chỉnh lại cuộn kháng tiến hành thí nghiệm điều kiện tiêu chuẩn đạt kết u cầu Ngồi cịn phải kể đến việc đặt nhiều giả thuyết lý tưởng hóa để thuận lợi cho q trình tính tốn việc bỏ qua tác dụng sóng hài thơng số cuộn kháng - 89 - KẾT LUẬN Ở nước ta ảnh hưởng sóng hài đến chất lượng điện chưa quan tâm mức chất lượng điện nhiều nơi thấp không ổn định đặc biệt khu cơng nghiệp xây dựng có sử dụng nhiều thiết bị công nghệ đại, làm ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động sản xuất gây tổn thất điện lớn Vì việc kiểm sốt đề giải pháp hiệu nhằm hạn chế ảnh hưởng sóng hài đến chất lượng điện nước ta đề tài có tính thời cấp bách Trước chất lượng điện hệ thống điện quan tâm chủ yếu đến đảm bảo ổn định điện áp, tần số ảnh hưởng sóng hài chưa quan tâm mức Ngày với phát triển nhanh khoa học kỹ thuật thiết bị điện làm việc phát sinh sóng hài bơm vào hệ thống tăng nhanh làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện Chất lượng điện không đảm bảo nguyên nhân gây cố lưới điện, làm giảm tuổi thọ thiết bị điện tăng tổn thất điện năng, đặc biệt ảnh hưởng trực tiếp đến ngành sản xuất cơng nghệ cao.Vì việc nâng cao chất lượng điện năng, giảm nhiễm sóng hài địi hỏi thực tế gia đoạn cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Trên sở tổng hợp phân tích, luận văn cho thấy nguyên nhân phát sinh sóng hài tải phi tuyến, tải bao gồm thiết bị điện tử (như chỉnh lưu, nghịch lưu, ) thiết bị điện từ (như mạch từ động cơ, máy biến áp….) Sóng hài có ảnh hưởng xấu tới tất thiết bị điện làm việc lưới cụ thể như: - Làm tăng phát nóng thiết bị điện dây dẫn điện - Ảnh hưởng đến độ bền cách điện vật liệu điện, khả mang tải dây dẫn điện - Làm cho thiết bị bảo vệ tác động sai, kết dụng cụ đo khơng xác - 90 - - Tổn hao dây dẫn lõi thép động tăng cao, ảnh hưởng đến Momen trục động - Ảnh hưởng đến thiết bị viễn thơng… Do sóng hài có tác hại lớn với lưới điện nên việc hạn chế sóng hài lưới mang lại lợi ích lớn kinh tế, giải pháp để hạn chế sóng hài như: - Giảm sóng hài tải phi tuyến phát như: Cách ly phụ tải nhóm phụ tải gây sóng hài, dùng máy biến áp riêng cho phụ tải có đặc tính phi tuyến tuyến tính dùng máy biến áp có đấu dây đặc biệt - Thực lắp lọc sóng hài như: Các lọc thụ động, lọc tích cực Để chứng minh tác dụng bọ lọc việc hạn chế sóng hài, luận văn chọn hệ biến tần - động để làm thí nghiệm thiết kế lọc sóng hài cho hệ thống số lượng biến tần sử dụng lớn hoạt động phát sinh nhiều sóng hài bậc cao Kết thí nghiệm đo lắp lọc ta thấy độ méo THD giảm từ 106% xuống 13-14% Do hạn chế thời gian khả có hạn nên luận văn nghiên cứu với biến tần – động chế tạo lọc sóng hài kiểu LC kết chưa đạt mong muốn Hướng đề tài thực thí nghiệm với nhiều loại tải phi tuyến khác tính tốn chế tạo lọc kể lọc thụ động lọc tích cực, để có điều kiện so sánh đánh giá xác có giải pháp kỹ thuật hiệu hạn chế sóng hài lưới điện phụ tải cụ thể, nhằm góp phần vào việc nâng cao chất lượng điện lưới điện nước ta - 91 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: Phạm Văn Bình – Lê Văn Doanh (2002), Máy biến áp, lý thuyết vận hành, bảo dưỡng, thử nghiệm, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh (2005), Điện tử công suất lý thiết kế - ứng dụng, tập 2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Bình Thành – Nguyễn Trần Quân – Phạm Khắc Chương (1971), Cơ sở lý thuyết mạch tập II, I, Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp Nguyễn Bình Thành – Lê Văn Bảng – Phương Xuân Nhàn – Nguyễn Thế Thắng (1972), Cơ sở lý thuyết tập III, 2, Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp, Hà nội Nguyễn Đình Trí, Tạ Văn Đĩnh, Nguyễn Hồ Quỳnh (2002), Toán học cao cấp tập 2, phép tính giải thích biến số, Nhà xuất giáo dục Phan Đăng Khải – Huỳnh Bá Minh(2001), Bù công suất phản kháng lưới cung cấp phần phối điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Quy định đầu nối vào hệ thống điện quốc gia (Ban hành kèm theo Quyết định số: 37/2006/QĐ-BCN ngày 16 tháng 10 năm 2006 Bộ trưởng Bộ Công nghiệp) Tài liệu tiếng Anh: Barry W.Kennedy (2000), Power Quality Primer, Mc Graw –Hill Doktoringenieur (2004), Power Quality Studies in Distribution Systems Involving Spectral Decomposition, genehmigt durch die Fakultat Elektrotechnik und Informationstechnik der Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg 10 Roger C.Dugan, Mark F McGranaghan, and Wayne H Beaty (2005), Electrical Power Systems Quality, Product Line: Mc Graw-Hill 11 Ontario Hydro (1996), Power Quality Reference Guide 6th edition, Canada 12 Kabelo Clifford Modipane (2005), An Investigation of the Effects of Voltage and Current Harmonics on an Electrical Distribution Island, University of Johannesburg 13 Philippe Ferracci (2001), Power Quality, Cahier technique no.199, Schneider Electric 14 Mike Mehrdad, E.K.Stanek, A.S.Jannati, Influence of Voltage and Current Harmonics on Behavior of Electric Devices 15 IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirement for Harmonic Control in Electrial Power Systems, IEEE Industry Applications Society/Power Engineering Society, Published by the Instiue of Electrical and Electronics Engineers, American National Standards Institue 16 Matlab Help 17 Micromaster 420 User manual PHỤ LỤC 1.1 Giới hạn độ méo sóng hài điện áp a Tiêu chuẩn IEEE - Các tiêu chuẩn giới hạn độ méo sóng hài điện áp theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE 519 cho bảng 1-1: Bảng 1-1 : Tiêu chuẩn ANSI/IEEE 519 giới hạn độ méo sóng hài điện áp Điện áp điểm đầu nối Từng bậc hài Vh % Tổng độ méo hài điện áp THD (%) V