Sóng hài trong hệ thống điện: Tác hại và giải pháp

Bài viết sau đây nhằm cung cấp cho người đọc những kiến thức cần thiết góp phần tìm lời giải cho một vấn đề mang tính thời sự nêu trên. Đối với các hoạt động sản xuất và đặc biệt là trong thời kỳ Công nghiệp 4.0 hiện nay, sóng hài là một trong những vấn đề gây nhức nhối vì nó có thể gây ra hư hỏng các thiết bị điện công nghệ cao và làm gián đoạn quy trình sản xuất.

SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN: TÁC HẠI VÀ GIẢI PHÁP (PHẦN 1) ThS BÙI VĂN TRÌNH Trưởng nhóm chun gia chất lượng nguồn điện I TỔNG QUAN VỀ SĨNG HÀI S óng hài Hệ thống điện tạo nào? Tác hại sóng hài gây cho thiết bị điện, dây chuyền sản xuất mức độ nào? Giải pháp làm giảm thiểu thiệt hại sóng hài gây ra? Những câu hỏi ln động cơ, thơi thúc chuyên gia nghiên cứu lĩnh vực Kỹ thuật điện tìm lời giải cho chủ đề mang tính thời nêu Bài viết sau nhằm cung cấp cho người đọc kiến thức cần thiết góp phần tìm lời giải cho vấn đề mang tính thời nêu Đối với hoạt động sản xuất đặc biệt thời kỳ Công nghiệp 4.0 nay, sóng hài vấn đề gây nhức nhối gây hư hỏng thiết bị điện công nghệ cao làm gián đoạn quy trình sản xuất Việc phát triển nóng dự án lượng tái tạo hịa lưới tăng trưởng ạt thiết bị bán dẫn làm ảnh hưởng sóng hài lên hệ thống điện ngày nghiêm trọng Tuy nhiên việc tìm hiểu lắp đặt thiết bị giám sát, lọc sóng hài bị xem nhẹ nhà máy cơng nghiệp Lý phủ chưa thật có chế tài sử phạt khách hàng phát sóng hài lớn lên lưới truyền tải, hay chủ đầu tư tin tưởng vào cơng nghệ đại hạn chế sóng hài,…Thật khơng may, nguồn sóng hài khơng hình thành từ nhà máy xét, mà đến từ nhà máy lân cận, tượng tự nhiên (giông sét, ngắn mạch lưới điện, …) hậu thiệt hại kinh tế cho nhà máy dừng dây chuyền sản xuất cao nhiều so với mức đầu tư cho thiết 10 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2020 bị giám sát lọc sóng hài Bên cạnh đó, Việt Nam điểm đến đầy tiềm cho nhà đầu tư nước ngồi, có nhiều nhà máy sử dụng cơng nghệ tiên tiến Châu Âu hay Bắc Mĩ xây dựng Những công nghệ yêu cầu chất lượng cung cấp điện tuyệt đối Nếu không “ tự bảo vệ mình” trước sóng hài hay vấn đề tương tự nhà máy khó đạt suất cao giảm tính cạnh tranh thị trường Từ nhận định trên, việc tìm hiểu sóng Hài vô quan trọng để người vận hành xử lý cố Trên tất cả, nghiên cứu giải pháp hạn chế sóng hài thật cần thiết để chủ đầu tư bảo vệ tài sản mình, đảm bảo quy định nhà nước II SÓNG HÀI ĐƯỢC TẠO RA NHƯ THẾ NÀO ? Trong nhiều thập kỷ, kỹ sư điện cố gắng thử nghiệm nhiều phương pháp khác để thiết kế hệ thống phân phối lượng đến hộ gia đình khu công nghiệp cách hiệu Tuy nhiên, đời thiết bị điện tử làm thay đổi tất Trước bùng nổ sử dụng thiết bị bán dẫn, hầu hết khu dân cư tải cơng nghiệp dùng thiết bị có tính chất đơn giản, và, tất nhiên, dễ dự đoán Nhưng với thiết bị điện tử đại kết nối vào hệ thống điện ngày lại có tính chất phức tạp khó dự đốn hơn, tải khơng tuyến tính (non-linear load) Thuật ngữ tuyến tính nhấn mạnh việc dịng điện chạy tải có dạng sóng đồng dạng với dạng sóng điện áp đầu vào (hình Sin) Các thiết bị sưởi ấm, động cơ, tụ điện, bóng đèn sợi đốt,… ví dụ tải tuyến  tính (Hình 1.a) Có thể suy luận ngược lại, tải khơng tuyến tính hình thành dịng điện có dạng sóng khơng tn theo dạng sóng tự nhiên điện áp nguồn (Hình 1.b) Dịng điện tải phi tuyến tạo hầu hết thiết bị điện tử đại yêu cầu dòng điện chiều (DC) để hoạt động Điện áp cung cấp từ nhà máy điện cho phụ tải dạng xoay chiều (AC), nên thiết bị điện tử phải sử dụng kỹ thuật để chuyển đổi điện áp sang chiều (DC) Các kỹ thuật chuyển đổi gọi converter Hình 1.a Hình 1.b Hình 1: Các tải thông dụng hệ thống điện (a): tải tuyến tính, (b): tải phi tuyến (Nguồn: Google) Bộ converter pha sử dụng nhiều ngày nguồn chuyển mạch (switchmode power supply) Các thiết bị ứng dụng chủ yếu để cấp nguồn cho máy tính cá nhân, máy in,… Một số đèn huỳnh quang (fluorescent lighting) sử dụng thiết bị để hoạt động chuyển đổi AC sang DC điều hình thành nên dịng điện khơng tuyến tính Phân tích chi tiết hoạt động converter không đề cập nội dung báo này; nhiên hiểu biết nguyên tắc hoạt động chuyển đổi AC sang DC để tạo sóng hài dòng điện cần thiết Phổ biến ứng dụng converter ba pha thiết bị điều khiển tốc độ động (variable speed motor drive), gọi điều tốc (adjustable speed drive) Bộ điều tốc nhận nguồn AC đầu vào, chỉnh lưu sang nguồn chiều DC, sau nghịch lưu trở lại nguồn xoay chiều Khi chuyển đổi DC ngược lại sang AC, tín hiệu điện áp tần số nguồn AC bị thay đổi để điều khiển tốc độ động Ứng dụng chuyển đổi để kiểm sốt tốc độ, ví dụ như, quạt máy bơm khu công nghiệp lớn Và cách hoạt động Điện áp nguồn cung cấp hệ thống điện phân phối trước hết chỉnh lưu lưu trữ tụ điện, phận tích hợp converter Trong nửa đầu chu kỳ điện, tụ lớn tích điện đến giá trị trung bình điện áp nguồn, sau phóng điện để hình thành dịng pha DC có điện áp giới hạn tùy theo thiết kế converter Khi điện áp tụ chạm đến ngưỡng giới hạn xả điện, bắt đầu nạp điện trở lại – thời điểm diễn chu kỳ điện Thiết bị lại tạo dòng pha Lưu ý việc tạo dòng tải phi tuyến Và vậy, tụ điện nạp xả điện Bây không phụ thuộc vào tính chất tự nhiên converter chu kỳ đơn giản pha hay ba pha thiết bị Sự thật lặp lại tiến trình BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2020  11  Để dòng điện AC sau tạo thành converter qua tải trả ngược lưới điện áp đầu vào chỉnh lưu phải cao điện áp tụ Do dịng điện từ nguồn cấp phải có dạng xung khơng liên tục suốt chu kỳ điện áp Quá trình thể Hình bậc sóng hài, ωn= 2πnf0 ∂n góc lệch pha sóng hài Giá trị n=1 đặc trưng cho giá trị Phương trình phân tích dạng sóng dịng điện cho Hình thể sau: i(t)=sin(377t)+0.85sin(942t)+025sin(1570t) +0.55sin(3454t)+0.15sin(5338t) (1) Hình 2: Dạng sóng dịng điện điện áp tải khơng tun tính (Nguồn: Google) Như ta thấy, dịng điện tải phi tuyến khơng dạng sóng với điện áp đầu vào Tuy nhiên, dòng điện điện áp giống khía cạnh – tần số Thật sự, dịng điện xung tạo tải khơng tuyến tính điều hịa có tần số bản, f0 , có độ lớn với điện áp Chúng ta gặp may dòng điện phi tuyến điều hịa, nhờ mà áp dụng lý thuyết Fourier để phân tích dạng sóng xung thành tổng vơ hạn sóng hình Sin có tần số khác Mỗi thành phần chuỗi vô hạn gọi sóng hài – harmonic Mỗi thành phần sóng hài có tần số với giá trị tích số nguyên với tần số Giá trị số nguyên đặc trưng cho bậc sóng hài, giả sử sóng hài : bậc có tần số f1 = 1x50 = 50Hz, bậc hai có tần số f2 = 2x50 = 100Hz… Nếu phân tích tốn học, thành phần sóng hài chuỗi vơ hạn thể là, ansin(ωnt+∂n) an độ lớn, n 12 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2020 Hình 3: Dạng sóng bậc sóng hài (Nguồn: Google) Để đơn giản, ta bỏ qua góc lệch pha sóng hài ∂n Sử dụng tần số Việt Nam f0 = 50Hz, dòng điện phương trình (1) bao gồm thành phần sóng hài bậc 3, 5, 11 17, 924/2πf0 = 3; 1570/2πf0 = 5; 3454/2πf0 = 11; 5338/2π f0 = 17 Với hiểu biết cách tải không tuyến tính tạo sóng hài dịng điện, sẵn sàng thảo luận vấn đề thật Nếu suy nghĩ thân dòng điện hài vấn đề cần giải quyết, có lẽ hệ thống không bị “tổn thương” Tuy nhiên, với chất dòng  dịch chuyển điện tích, dịng điện hài tương tác với điện khánh hệ thống gây sụp áp Nhớ lại điện kháng bao gồm hai thành phần: điện trở (không phụ thuộc vào tần số) trở kháng (phụ thuộc tần số) Khi dòng điện hài chạy hệ thống, giá trị trở kháng thay đổi phụ thuộc vào tần số sóng hài Sự tương tác dòng điện hài trở kháng biến thiên (theo định luật Ohm) gây biến thiên sụp áp Do ta có sóng hài điện áp làm méo dạng sóng điện áp hệ thống Bây ta xét lại góc pha từ phương trình (1) mà ta bỏ qua trước Góc pha hiểu pha (in-phase) lệch pha (out-of-phase) Nếu góc pha sóng hài gần góc pha thành phần bản, chúng pha với ngược lại Điều quan trọng pha nghĩa cộng vào với làm tăng độ lớn tín hiệu tổng Ngược pha triệt tiêu lẫn nhau, làm giảm tín hiệu tổng Tất nhiên, cách (cùng pha hay ngược pha), sóng hài điện áp dịng điện làm méo dạng tín hiệu gốc Hình thể hình ảnh tín hiệu hai thành phần hài – bậc 3,bậc bậc 7, kết tương tác tín hiệu Nếu so sánh tín hiệu kết tương tác, ta thấy độ lớn tín hiệu nhiễu cao nhiều so vơi tin hiệu tần số chuẩn Điều chứng tỏ sóng hài tín hiệu chuẩn pha với ví dụ Nhớ Hình thể hai tín hiệu sóng hài Trong thực tế, có nhiều sóng hài thành phần chứa tín hiệu chuẩn Tất thành phần cộng dồn mức độ méo dạng sóng hình Sin tần số III TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI ĐỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ Tác hại sóng hài rõ ràng dễ hình dung Có hài vấn đề mà xem xét, nóng lên bất thường thiết bị gián đoạn hoạt động sản xuất (Hình 4) Với dây dẫn điện: Phát nóng bất thường tác động phổ biến sóng hài lên dân dẫn Nhiệt ln tạo dịng điện chạy dây dẫn theo cơng thức tính tổn thất nhiệt Sóng hài nhiều gây trầm trọng vấn đề, ảnh hưởng hiệu ứng bề mặt (skin effect) Hiệu ứng bề mặt tỉ lệ thuận với tần số, bậc sóng hài tăng hiệu ứng nghiêm trọng Dòng điện lớn xuất bề mặt dây dẫn làm tăng tổn thất, giá trị lớn tổn thất nhiều Với máy biến áp: Cùng với việc phát nóng hiệu ứng bề mặt, máy biến áp phải chịu thêm tổn thất từ dịng điện xốy phu (eddy current) Dịng điện xoáy tạo từ trường xoay chiều khép vòng bên lõi từ máy biến áp Tổn thất dịng điện xốy tỉ lệ thuận với bình phương tần số Do đó, tổn thất lớn với hai hay ba thành phần hài Từ làm giảm tuổi thọ thời gian làm việc máy biến áp Với tụ điện: Một lý sóng hài ảnh hưởng lớn lên tụ điện điện kháng tụ giảm tần số tăng Do đó, sóng hài có bậc cao, tụ điện hoạt động điểm ngắn mạch Điều hiểu đơn giản tụ điện hút sóng hài tần số cao vào Kết tụ điện trở nên tải dòng điện lớn qua Một vấn đề khác tụ điện sóng hài khả sinh cộng hưởng Hiện tượng xảy cảm kháng dung kháng hệ thống có độ lớn triệt tiêu lẫn Khi cộng hưởng xảy ra, làm giảm điện kháng hệ thống Do đó, dịng điện khơng bị cản trở bị khuếch đại phá hủy tụ điện thiết bị khác hệ thống Với thiết bị điện tử: Các thiết bị điện tử nhạy cảm với méo dạng sóng hài, chúng phụ thuộc vào dạng sóng điện áp chuẩn để đưa tín hiệu điều khiển Thiết bị điện tử công xuất sử dụng điểm zero (thời điểm sóng điện áp qua mức 0) để điều khiển đóng mở van thiết bị bán dẫn Nếu thời điểm zero bị dịch chuyển, điều  BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2020 13 khiển hoạt động sai Hơn nữa, nhiều thiết bị đóng ngắt bán dẫn hoạt động điểm zero để giảm tác động từ trường dòng khởi động (inrush current) Một lần nữa, lệch điểm zero lại gây hoạt động sai lệch cho thiết bị Các nguồn chuyển mạch (electronic power supply) phụ thuộc vào giá trị đỉnh điện áp đầu vào để giữ cho tụ điện nạp đầy Nếu điện áp nguồn tăng hay giảm ảnh hưởng sóng hài, chuyển mạch hoạt động chế độ áp thấp áp Hiện tượng xem sai lệch hoạt động cho thiết bị./ Hình 4: Tác hại sóng hài (Nguồn: Google) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) G.T Heydt, Electric Power Quality, 2nd ed West LaFayette, IN: Stars in a Circle Publications, 1994 2) IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants, IEEE Standard 141-1993 New York: The IEEE Red Book, 1994 3) R.C Dugan, M.F McGranaghan, and H.W Beaty, Electrical Power Systems Quality New York: McGrawHill, 1996 4) J.C Whitaker, AC Power Systems Handbook, 2nd ed Boca Raton, FL: CRC Press, 1999 5) G.N.C Ferguson, “Power Quality Improvement in a Harmonic Environment,” from a paper presented at the Inter National Electrical Testing Association (NETA) Annual Technical Conference, Mar 19, 1997 6) IEEE Task Force, “Effects of Harmonics on Equipment,” IEEE Trans Power Delivery, vol 8, pp 672-680, 1993 7) C Sankaran, “Effects of Harmonics on Power Systems—Part 1,” EC&M, pp 33-42, Oct 1995 14 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG / 2020 ... đổi phụ thuộc vào tần số sóng hài Sự tương tác dòng điện hài trở kháng biến thiên (theo định luật Ohm) gây biến thiên sụp áp Do ta có sóng hài điện áp làm méo dạng sóng điện áp hệ thống Bây ta... III TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI ĐỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ Tác hại sóng hài rõ ràng dễ hình dung Có hài vấn đề mà xem xét, nóng lên bất thường thiết bị gián đoạn hoạt động sản xuất (Hình 4) Với dây dẫn điện:. .. chứng tỏ sóng hài tín hiệu chuẩn pha với ví dụ Nhớ Hình thể hai tín hiệu sóng hài Trong thực tế, có nhiều sóng hài thành phần chứa tín hiệu chuẩn Tất thành phần cộng dồn mức độ méo dạng sóng hình