Ngày nay, khi phụ tải công nghiệp phát triển nhanh chóng, các thiết bị điện là các phụ tải phi tuyến sử dụng nhiều phần tử công suất gây nên tình trạng sóng hài có tần số cao trên lưới [r]
(1)PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI VỚI TẦN SỐ BIẾN ĐỔI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN HẠ ÁP
A METHOD OF FILTERING FOR HARMONICS WITH VARIABLE FREQUENCY IN THE LOW VOLTAGE POWER SYSTEM
Lê Việt Cường1, Dỗn Thanh Bình2, Nguyễn Tùng Linh2 1Bộ Cơng Thương, 2Trường Đại học Điện lực
Ngày nhận bài: 25/03/2018, Ngày chấp nhận đăng: 24/04/2018, Phản biện: PGS.TS Trịnh Trọng Chưởng
Tóm tắt:
Ngày nay, phụ tải cơng nghiệp phát triển nhanh chóng, thiết bị điện phụ tải phi tuyến sử dụng nhiều phần tử cơng suất gây nên tình trạng sóng hài có tần số cao lưới điện phân phối, ảnh hưởng đến chất lượng điện thiết bị Việc sử dụng thiết bị lọc sóng hài giải pháp áp dụng rộng rãi nhiều trường hợp có nhiều ưu điểm kinh tế kỹ thuật Do việc nghiên cứu thiết bị lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện yêu cầu cần thiết Trong báo nhóm tác giả đề xuất phương pháp lọc sóng hài dạng thụ động với tần số cộng hưởng thay đổi theo cấu hình phụ tải Thiết bị lọc sóng hài với tần số lọc biến đổi theo phụ tải vừa đáp ứng hiệu lọc sóng hài hệ thống điện vừa có giá thành cạnh tranh sử dụng cuộn kháng
Từ khóa:
Sóng hài, THD, thyristor, lọc sóng hài thụ động, tần số biến đổi
Abstract:
Today, as the industrial load grows rapidly, electrical devices are non-linear loads that use many power elements, resulting in high frequency harmonics on the distribution grid, affecting quality electricity and equipment The use of harmonic filters is the solution that is widely applied in many cases due to its many economic and technical advantages Therefore, the study of harmonic filters to improve power quality is a requirement In this paper, the authors propose a method of passive filtering for harmonics with variable resonance frequency based on the load configuration This harmonic filter with variable frequency based on the load both meets the efficiency of filtering harmonics in the power system and has a very competitive price because of fewer reactors design
Keywords:
Harmonics, THD, thyristor, passive filter for harmonics, variable frequency
1 GIỚI THIỆU
Theo thống kê dự báo, lượng điện dự kiến đóng góp vào khoảng 60% tổng mức tiêu thụ lượng giới vào
(2)này tải có tính chất phi tuyến Việc sử dụng loại thiết bị điện tử kể giúp tiết kiệm điện cho hộ tiêu thụ điện ngược lại gây tác động tiêu cực hệ thống điện gây tượng méo dạng sóng (sóng hài bậc cao) điện áp dòng điện [2], [3] Các tác động chủ yếu sóng hài gây hệ thống điện là: gây cộng hưởng làm hư hỏng thiết bị điện, gây điện áp, tải dòng điện gây sai sót thiết bị đo lường, điều khiển Ngồi sóng hài cịn gây lượng tổn thất đường dây truyền tải, phân phối máy biến áp, thiết bị điện chiếm tỷ lệ lớn [4] Chính để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực tượng méo dạng sóng, tiêu chuẩn quốc tế quốc gia có yêu cầu hạn chế sóng hài thiết bị điện Tổng độ méo sóng hài (THD) tín hiệu biến dạng sóng hài định nghĩa tổng tất thành phần hài dạng sóng so với thành phần dạng sóng [5] Các tiêu chuẩn IEC-519 khuyến nghị cho điều khiển sóng hài hệ thống điện THD nguồn dòng nên thấp 5% [6] Tiêu chuẩn có yêu cầu nghiêm ngặt thành phần sóng hài đơn lẻ Hoạt động lọc tích cực Shunt (SAF) với điện áp điều khiển biến tần nguồn (CCVSI) thường sử dụng để cân nguồn nguồn dịng hình sin cách bơm vào dòng bù, sau gọi điện biến tần Vì vậy, nguồn cần cung cấp thành phần dòng tải [7] Các cấu trúc điều khiển SAF có
hai vịng điều khiển hình Trong đó: 1) vịng ngồi ước tính dịng điện mà biến tần cần bơm vào/ rút để bù sóng hài cơng suất phản kháng 2) vòng lặp bên chịu trách nhiệm theo dõi dòng tham chiếu tạo Dịng điện bên ngồi vịng lặp thường thực cách sử dụng tức thời lý thuyết công suất phản kháng [8] khung tham chiếu đồng lý thuyết [9] Theo truyền thống, vòng điều khiển truyền thống thực cách sử dụng phương pháp kiểm soát dựa khâu điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) Tuy nhiên đáp ứng điều khiển điều khiển PI khơng đầy đủ băng thơng hạn chế điều khiển Do đó, SAF khơng cung cấp hiệu suất cần thiết tải có mức độ phi tuyến tính cao [10]
Hình Sơ đồ ngun lý lọc sóng hài kết nối với tải phi tuyến hệ thống điện hạ áp
(3)sóng hài hệ thống điện Với phương pháp này, thiết bị lọc sóng hài với tần số lọc biến đổi theo phụ tải làm giảm giá thành sản phẩm cần bố trí lọc Tuy nhiên, thuật toán điều khiển thiết bị đòi hỏi phức tạp Bài báo gồm năm phần, phần giới thiệu chung, phần trình bày mơ hình tốn, phần đề xuất phương pháp thiết kế lọc sóng hài bù lai, phần mơ đánh giá kết quả, phần trình bày kết luận nghiên cứu
2 BÀI TỐN LỌC SĨNG HÀI VỚI TẦN SỐ BIẾN ĐỔI
Hiện thị trường thiết bị lọc sóng hài thụ động có phạm vi ứng dụng rộng rãi so với thiết bị chủ động có cấu tạo đơn giản, giá thành hạ gây tổn thất nhỏ, có hai loại là: thiết bị lọc dạng đơn, dạng lọc thơng cao bậc kiểu tụ (hình 2a, 2b, 2c)
Hình 2a Thiết bị lọc sóng hài dạng đơn (a) và đặc tính tần số thiết bị (b)
Hình 2b Thiết bị lọc sóng hài dạng thơng cao bậc (a) đặc tính tần số thiết bị (b)
Hình 2c Thiết bị lọc sóng hài dạng tụ C (a) và đặc tính tần số thiết bị (b)
Thiết bị lọc dạng đơn (single tune filter) cấu tạo từ phần tử thụ động cuộn kháng 1.1 tụ điện mắc nối tiếp 1.2 Đặc tính tần số thiết bị này, thấy thiết bị lọc dạng đơn có hiệu với loại sóng hài tần số cộng hưởng Với tần số sóng hài khác, thiết bị có tác dụng nhỏ Tuy nhiên, thiết bị sử dụng rộng rãi đơn giản rẻ tiền gần khơng gây tổn thất thiết bị
Thiết bị lọc thông cao bậc (second order damped filter) gồm cuộn kháng 2.1 mắc song song với điện trở 2.3 mắc nối tiếp với tụ điện 2.2 Đặc tính tần số thiết bị cho hình 2b Với đặc tính tần số trên, thiết bị ngồi hiệu cao với sóng hài tần số cộng hưởng, cịn có tác dụng với sóng hài tần số cao (trên 20) Do tác dụng tốt với tần số cao giá thành tăng không cao so với thiết bị lọc đơn, thiết bị dùng phổ biến Tuy nhiên, thiết bị có nhược điểm gây tổn thất cơng suất tác dụng cao nhiều so với thiết bị lọc đơn xuất điện trở 2.3
(4)sau mắc song song với điện trở 3.3 nối tiếp với tụ điện thứ hai 3.2 Đặc tính tần số thiết bị cho hình 2c Với đặc tính tần số trên, thiết bị giống thiết bị lọc thơng cao, ngồi tác dụng lọc tần số cộng hưởng cịn có tác dụng lọc sóng hài bậc cao Tuy nhiên, khác với thiết bị lọc thông cao thông thường, tần số (50 Hz) thiết bị không gây tổn thất điện trở tương đương nhánh có tụ 2.4 điện kháng 2.1 khơng Lúc điện trở tương đương tồn thiết bị điện kháng tụ điện 2.2 Tuy tổn thất nhỏ giá thành cao nhiều so với thiết bị lọc thông cao nên thiết bị chưa phổ biến rộng rãi
Có thể thấy rằng, với tất loại thiết bị lọc thụ động có, chưa loại điều chỉnh tần số cộng hưởng Trên thực tế, biên độ tỷ lệ sóng hài phụ thuộc lớn vào việc điều khiển cơng suất phụ tải Ngồi với thiết bị điện tử có điều khiển cơng suất tác dụng, phổ sóng hài thay đổi phức tạp biên độ tần số Chính vậy, để lọc sóng hài đảm bảo tiêu chuẩn, sử dụng thiết bị lọc sóng hài truyền thống (chỉ lọc hiệu với tần số lọc nhất) ta cần sử dụng nhiều lọc với tần số cộng hưởng khác Việc bố trí nhiều lọc khiến cho giá thành thiết bị tăng cao, làm giảm tính kinh tế thiết bị Ngoài ra, thiết bị lọc thụ động có khả bù cơng suất phản kháng nên tổng công suất thiết bị bị giới hạn công suất bù lớn Việc bố trí nhiều lọc khiến cơng suất lọc giảm dẫn tới việc giảm khả lọc sóng hài lọc Do đó, thiết kế
một lọc sóng hài với tần số biến đổi giúp giảm giá thành sản phẩm, đồng thời nâng cao hiệu việc lọc sóng hài phụ tải phi tuyến số lượng lọc giảm công suất lọc tăng lên
3 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT LỌC SÓNG HÀI VỚI TẦN SỐ BIẾN ĐỔI Mục đích phương pháp xây dựng thiết bị lọc sóng hài dạng thụ động với tần số cộng hưởng thay đổi theo yêu cầu phụ tải, qua nâng cao hiệu suất lọc sóng hài hệ thống điện Ngồi thiết bị lọc sóng hài với tần số lọc biến đổi theo phụ tải làm giảm giá thành sản phẩm cần bố trí cuộn kháng [13] Các phần tử thiết bị lọc với tần số biến đổi thể hình
Hình Thiết bị lọc sóng hài thụ động với tần số biến đổi
(5)khác mắc song song, tụ điện điều khiển đóng cắt cặp gồm hai thyristo song song ngược chiều 41, 42, 43 nhằm thực chức điều khiển thay đổi tần số cộng hưởng thiết bị
Tần số cộng hưởng thiết bị đóng tụ vào tính theo cơng thức (1) [4]:
L C
X X 1
(1)
Khi đóng tụ thứ hai vào, lúc hai tụ song song có giá trị điện trở tương đương sau:
2 1 C C Ctd X X X
,
đó tần số cộng hưởng thiết bị lọc biến đổi theo công thức [4]
L C C L Ctd X X X X
X 2
2 1
(2)
Cũng tương tự vậy, đóng tụ thứ ba vào, tần số cộng hưởng thiết bị theo công thức [4]:
L C C C L Ctd X X X X X
X 3
3 1 1
(3)
trong đó: Xc1, Xc2, Xc3, XL điện kháng tụ C1, C2, C3 cuộn dây L
Tần số cộng hưởng trị số giá trị
Xc1, Xc2, Xc3 XL lựa chọn cho phù hợp với biên độ sóng hài phụ tải gây thay đổi cơng suất Ví dụ: ta cần thay đổi tần số cộng hưởng thiết bị sóng hài bậc 3, 5, ta chọn
v1=7, v2=5, v3=3[11,12]
Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển thiết bị bù lọc với tần số biến đổi hình [13]
Hình Sơ đồ khối điều khiển thiết bị lọc sóng hài thụ động với tần số biến đổi [13]
Quá trình điều khiển thiết bị bù lai thực hình
(6)Hình Thuật toán điều khiển thiết bị lọc thụ động với tần số biến đổi [13]
4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG
Kết nghiên cứu mơ phần mềm Matlab Simulink 2014 cấu hình máy tính Dell Core i7 - 4Gb Ram thực cho sơ đồ lưới điện hình
Xem xét thiết bị chỉnh lưu công suất 200 kVA (phụ tải phi tuyến) nhà máy có tổng cơng suất phụ tải 800 kVA (600 kVA cịn lại phụ tải tuyến tính hình 6) [13]
Hình Sơ đồ nguyên lý nhà máy có lắp đặt điều khiển lọc sóng hài
Sơ đồ nguyên lý sóng hài sử dụng cho sơ đồ thiết kế hình
Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển sóng hài với tần số biến đổi
(7)Thiết bị lọc sóng hài với tần số cố định lựa chọn thơng số sau:
Tụ điện có Xc4=0,0484 Ω;
Kháng điện có XL4 = 0,005378 Ω Cả tụ kháng điện thiết bị pha, điện áp định mức 220 V, tần số 50 Hz Thiết bị lọc sóng hài với tần số biến đổi sau:
Tụ điện có Xc1=0,0949 Ω;
Tụ điện có Xc2=0,197633 Ω;
Tụ điện có Xc3=0,01494 Ω;
Kháng điện có XL1 = 0,001936 Ω
Bảng Sự thay đổi biên độ sóng hài của cuộn cảm theo góc mở α [13]
α (độ) 90 120 135 150 180 I3,А 19,9 15,3 6,6
I5,А 4,0 3,1 4,0
I7,А 1,4 2,2 1,4
I9,А 2,0 1,0 0,2
I11,А 0,7 0,8 0,7
I13,А 0,4 0,5 0,4
α (độ) 90 120 135 150 180
I15,А 0,7 0,4 0,0
I17,А 0,3 0,3 0,3
I19,А 0,2 0,3 0,2
I23,А 0,2 0,2 0,2
I25,А 0,1 0,1 0,1
I27,А 0,2 0,1 0,0
I29,А 0,1 0,1 0,1
I31,А 0,1 0,1 0,1
I33,А 0,1 0,1 0,0
I35,А 0,1 0,1 0,1
I37,А 0,1 0,1 0,1
I39,А 0,1 0,1 0,0
Do trường hợp này, xem xét đặt lọc sóng hài: có tần số cố định để lọc sóng hài bậc 3, cịn lại có tần số lọc gồm bậc 5, Việc thay đổi tần số lọc thực cách đóng vào mở hệ thống tụ điện cách sử dụng hệ thống thyristor đấu song song ngược thyristor 2, thyristor thyristor
Hình Sơ đồ mô Matlab Simulink
Kết mơ thực với góc mở khác cuộn kháng tính tốn với trường hợp:
(8)Trường hợp 3: Sử dụng lọc cố định với tần số lọc Một lọc tần số biến đổi có tần số lọc 5,7 Khi góc mở 127 độ
Trường hợp 1: không sử dụng lọc
Trong trường hợp này, không sử dụng lọc dạng sóng dịng điện có dạng phần hình sin Sóng hài q trình điều khiển dạng sóng cao Cao sóng hài bậc bậc
Mức độ THD tồn sóng hài khoảng 47%
Bảng Biên độ sóng hài góc mở 126 độ
STT Sóng hài Dịng điện (A) %
1 I1 126,7 100,0
2 I3 58,9 46,5
3 I5 0,8 0,6
4 I7 9,3 7,4
5 I9 2,9 2,3
6 I11 2,8 2,2
7 THD 47,23
Hình Kết mơ Simulink khơng có thiết bị lọc
Trường hợp 2: sử dụng lọc cố định có tần số lọc Trong trường hợp này, dạng sóng trở với dạng hình sin
nhìn thấy độ méo định Mức độ THD tồn sóng hài khoảng 5,8%
(9)Trường hợp 3: sử dụng lọc cố định có tần số lọc lọc tần số biến đổi có tần số lọc
Trong trường hợp này, dạng sóng
đưa gần giống với dạng sin Tỷ lệ méo nhỏ
Mức độ THD tồn sóng hài khoảng 2,2%
Hình 11 Kết mơ simulink lọc tần số 3,7
Hiệu phương pháp tính tốn dựa tổn thất điện do: công suất phản kháng thiết bị lọc sinh ra, tổn thất thiết bị lọc, tổn thất sóng hài chạy vào hệ thống điện Tổn thất điện công suất phản kháng thiết bị lọc sinh tính theo cơng thức: 1000 ) ( 2 T R U Q Q A tđ đm loc pk
kWh (4)
Tổn thất điện thiết bị lọc tính theo cơng thức:
T K Q A i loc loc
8
1
kWh (5)
Tổn thất điện sóng hài gây hệ thống điện tính theo công thức: T h R h I A tđ h
h ( ) 14 2
(6)
trong hlà hệ số tăng điện trở theo tần số hiệu ứng bề mặt (skin effect)
Sơ đồ mô thiết bị mô simulink hình vẽ Kết tính tốn sử dụng thiết bị so sánh hình 12
Hình 12 Kết so sánh lọc tần số cố định tần số biến đổi
(10)lọc với tần số cố định Việc sử dụng cuộn kháng hơn, giúp giảm giá thành sản phẩm lọc sóng hài
5 KẾT LUẬN
Qua nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất phương pháp lọc sóng hài thơng qua việc tính tốn dung lượng tụ bù tương ứng dựa thuật tốn điều khiển góc mở thysirtor cho phù hợp với dung lượng tụ bù mong muốn, để giảm tối đa sóng hài gây lưới điện phân phối hạ áp Với thuật tốn điều khiển riêng biệt, việc điều chỉnh trơn cơng suất phản kháng thiết bị bù lai thực cách đóng mở tụ điện kết hợp với điều chỉnh góc mở α của cuộn kháng L Tuy thuật toán điều khiển
có phức tạp giúp giảm công suất điện kháng L xuống thấp dẫn tới giảm chi phí giá thành thiết bị, đồng thời làm giảm tổn thất công suất tác dụng thiết bị bù sóng hài q trình điều chỉnh trơn cơng suất phản kháng gây Như vậy, thuật tốn điều khiển có khả phân tích sóng hài tính tốn để lựa chọn thời điểm đóng cắt tụ điện có ý nghĩa định đến hiệu phương pháp Kết nghiên cứu kiểm tra sơ đồ lưới thực tế, kết cho thấy, lượng sóng hài bậc cao giảm đáng kể, tổn thất công suất phương pháp đề xuất giảm 10% so với việc sử dụng điều khiển lọc tần cố định
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] ECPE Europen Center for Power Electronics, EPE European PowerElectronics and Drives Association, Position paper on energy efficiencythe role of power electronics, in European Workshop on Energy Efficiencythe Role of Power Electronics, 2007
[2] D.O Abdeslam, P Wira, J Merckle, D Flieller, and Y.A Chapuis, “A unified artificial neural network architecture for active power filters,”IEEE Trans Industr Electron., vol 54, no 1, pp 61-76, Feb 2007
[3] F.S dos Reis, J Ale, F.D Adegas, R Tonkoski, S Slan, and K Tan, “Active shunt filter for harmonic mitigation in wind turbines generators,”in Proc 37th IEEEPower Electronics Specialists Conf., Jeju, Korea,2006, pp 1-6
[4] L Asiminoael, F Blaabjerg, and S Hansen, “Detection is key-harmonicdetection methods for active power filter applications,” IEEE Ind Appl.Mag., vol 13, no 4, pp 22-33, Jul-Aug 2007 [5] L Marconi, F Ronchi, and A Tilli, “Robust nonlinear control of shuntactive filters for harmonic
current compensation,” Automatica, vol 43,no 2, pp 252-263, Feb 2007
[6] IEEE recommended practice and requirements for harmonic control inelectric power systems, IEEE Standard 519-2014, 2014, pp 1-29
[7] J Vazquez and P Salmeron, “Active power filter control using neuralnetwork technologies,” IEEE Proc Electr Power Appl., vol 150, no 2.pp 139-145, Mar 2003
(11)[9] Priyadharshini, N.Devarajan, AR.Uma saranya, R.Anitt, 2012 Survey of Harmonics in Non Linear Loads International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE) ISSN: 2277-3878, Volume-1, Issue-1
[10] Tiêu chuẩn IEEE-519/2014
[11] Hoàng Đăng Khoa, Lê Việt Cường, Bùi Anh Tuấn, Đinh Ngọc Quang Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công Thương năm 2014: “Nghiên cứu, chế tạo thiết bị bù công suất phản kháng lưới điện hạ áp dựa nguyên lý lai”
[12] George J Wakileh, 2011 Power Systems Harmonics- Fundamentals, Analysis And Filters Design Springer
[13] Đinh Ngọc Quang, Bằng sáng chế Thiết bị bù lai, số bằng: 1-0015397, Ngày cấp: 11/04/2016
Giới thiệu tác giả:
Tác giả Lê Việt Cường tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2005, nhận Thạc sĩ năm 2009 Northumbria University Hiện tác giả công tác Vụ Khoa học, Bộ Công Thương làm nghiên cứu sinh Viện Kỹ thuật điện - điện tử, Bộ Công Thương
Lĩnh vực nghiên cứu: điện tử công suất, điều khiển nhà máy điện, hệ thống lưới điện truyền tải
Tác giả Dỗn Thanh Bình tốt nghiệp đại học ngành kỹ thuật điện tử năm 2008; nhận Thạc sĩ năm 2010, nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện tử năm 2018 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tác giả cơng tác Phịng Khảo thí Kiểm định chất lượng, Trường Đại học Điện lực
Lĩnh vực nghiên cứu: lý thuyết nghịch đảo suy rộng (generalized inverses), GSVD nhằm mơ hình hóa, đánh giá hệ thống MIMO; nghiên cứu hệ thống thông tin trải phổ đa sóng mang (multi-carrier) áp dụng cho hệ thống thơng tin hệ
Tác giả Nguyễn Tùng Linh tốt nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ngành hệ thống điện năm 2005; nhận Thạc sĩ năm 2010, nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa năm 2018 Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam
(12)(13)82 Số 22