SÓNG HÀI VÀ MẠCH LỌC SÓNG HÀI TÍCH CỰC Tóm tắt Sóng hài là sóng không mong muốn, làm quá tải đường dây và biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống và gây nhiễu lên lưới điện. Nếu không có sự kiểm soát, sóng hài có thể làm quá tải hệ thống, tăng công suất yêu cầu và làm ngừng hệ thống (hỏng). Việc thiết kế các mạch điện có khả năng lọc sóng hài là rất cần thiết để bảo vệ an toàn cho thiết bị, hệ thống sử dụng nguồn điện. Trong bài báo này giới thiệu mạch lọc tích cực để loại bỏ sóng hài do tải phi tuyến gây ra và được mô phỏng trên phần mềm Matlab. Abstract Harmonic wave be unwishful wave, make line overload and electric transformer, make to increase system temperature and to add noise into source. If there isnt audit, harmonic wave can make system overload, make to increase request power and operation system stop (to fail). Designing devices to filter harmonic wave is necessary to protect for devices, system use source. In this article, the authors will present diligently filter circuit to kill harmonic wave , which is created nonlinear load and is simulated by Matlab software. 1. KHÁI NIỆM SÓNG HÀI Dạng sóng điện hình sin có tần số nhất định thường là 50 Hz (tần số cơ bản) do các nhà máy điện, trạm điện cung cấp cho mạng điện lưới. Tuy nhiên, khi di chuyển gần về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Sóng méo dạng này có thể là tổng của tín hiệu hình sin ở tần số cơ bản và các tín hiệu hình sin có tần số là bội số nguyên lần của tần số cơ bản 13. Các tín hiệu hình sin có tần số là bội số nguyên lần của tần số cơ bản được gọi là các sóng hài đây là nguyên nhân gây tổn hao trên lưới điện, bội số nguyên này được gọi là bậc sóng hài. Tổng các sóng hình sin là chuỗi fourier, được biểu diễn theo công thức sau:
SĨNG HÀI VÀ MẠCH LỌC SĨNG HÀI TÍCH CỰC Tóm tắt Sóng hài sóng khơng mong muốn, làm q tải đường dây biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống gây nhiễu lên lưới điện Nếu kiểm sốt, sóng hài làm q tải hệ thống, tăng công suất yêu cầu làm ngừng hệ thống (hỏng) Việc thiết kế mạch điện có khả lọc sóng hài cần thiết để bảo vệ an toàn cho thiết bị, hệ thống sử dụng nguồn điện Trong báo giới thiệu mạch lọc tích cực để loại bỏ sóng hài tải phi tuyến gây mô phần mềm Matlab Abstract Harmonic wave be unwishful wave, make line overload and electric transformer, make to increase system temperature and to add noise into source If there isn't audit, harmonic wave can make system overload, make to increase request power and operation system stop (to fail) Designing devices to filter harmonic wave is necessary to protect for devices, system use source In this article, the authors will present diligently filter circuit to kill harmonic wave , which is created nonlinear load and is simulated by Matlab software KHÁI NIỆM SĨNG HÀI sóng hài bậc cao giảm dần Trong số Dạng sóng điện hình sin có tần số định sóng hài hài bậc ba có biên độ lớn thường 50 Hz (tần số bản) nhà máy điện, trạm điện cung cấp cho mạng điện Trong mạch ba pha hài bậc ba pha có góc lệch pha 3x1200=3600, nghĩa trùng lưới Tuy nhiên, di chuyển gần phía phụ tải, đặc biệt phụ tải phi tuyến dạng pha, chúng hợp thành hệ thống thứ tự không khép mạch dây trung tính, làm q tải hệ sóng bị méo dạng Sóng méo dạng tổng tín hiệu hình sin tần số thống trung tính Để đo độ méo sóng hài ta sử dụng hệ số méo dạng toàn phần THD tín hiệu hình sin có tần số bội số (Total Harmonic Distortion) theo chuẩn EC nguyên lần tần số [13] Các tín hiệu hình sin có tần số bội số nguyên lần tần 1000-2-2 số gọi sóng hài nguyên nhân gây tổn hao lưới điện, bội số 𝑇𝐻𝐷(%) = √∑∞ ℎ=2 𝐶ℎ 𝐶1 nguyên gọi bậc sóng hài Tổng Trong đó: C1 biên độ dịng điện/điện áp sóng hình sin chuỗi fourier, biểu diễn theo cơng thức sau: ∞ Ch biên độ dòng điện/điện áp sóng sin thứ h 𝑓(𝑡) = 𝐴0 + ∑[𝐴ℎ cos(ℎ 𝜔0 𝑡) + 𝐵ℎ sin(ℎ 𝜔0 𝑡)] ℎ=1 ∞ = 𝐴0 + ∑ 𝐶ℎ sin(ℎ 𝜔0 𝑡 + 𝜓ℎ ) ℎ=1 Trong đó: 𝐴0 thành phần chiều 𝐶ℎ sin(ℎ 𝜔0 𝑡 + 𝜓ℎ ) sóng sin bậc h, h=1 𝐶1 sin(𝜔0 𝑡 + 𝜓1 ) sóng sin tần số (tín hiệu từ nhà máy điện) Thành phần sóng bậc cao nhiều sóng hình sin méo tức biên độ sóng dao động mạnh Biên độ THD đánh giá ảnh hưởng sóng hài lưới điện Theo IEEE 519-1992 loại tải quy định THD < 5%, riêng tải kỹ thuật số THD < 3% Trên thực tế hầu hết thiết bị sinh sóng hài thường có dạng sóng đồng Khi nửa chu kỳ ần dương dạng sóng có dạng đồng chuỗi fourier chứa hài bậc lẻ, đặc điểm quan trọng cho việc nghiên cứu hệ thống 2 TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI Sóng hài gây hiệu ứng ảnh hưởng đến thiết bị như: làm cho cáp bị q nhiệt, phá dịng điện phân tích thành chuỗi Fourier Sau gửi tín hiệu đến thiết bị chỉnh lưu để điều khiển tạo sóng hài ngược pha hỏng cách điện Động bị nhiệt gây tiếng ồn dao động momen xoắn rotor dẫn tới cộng hưởng khí gây rung Tụ điện nhiệt phần lớn trường hợp dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử dụng điện đèn chiếu sáng bị chập chờn, thiết bị bảo vệ ngắt điện, máy tính lỗi (data network) thiết bị đo cho kết sai [13] GIẢI PHÁP KHỬ SĨNG HÀI Giải pháp khử sóng hài là: Sử dụng cuộn kháng chặn sử dụng mạch lọc thụ động Hai phương án có tác dụng hạn chế số hài bậc cao cho phụ tải có đặc tính phi tuyến tính Khơng thể tăng điện kháng cuộn chặn sụt áp làm giảm công suất tải Bộ lọc LC cho phép giảm THD tới 10%, tới 5% phối hợp với điện kháng chặn Đối với phụ tải động có đặc tính phi tuyến tức thời ln biến động máy hàn, lò hồ quang… cần sử dụng lọc tích cực Là lọc sử dụng phần tử điện tử cơng suất để tạo nên sóng hài ngược pha với sóng hài phát sinh mạch Kết thành phần sóng hài bị triệt tiêu dạng sóng nguồn túy hình sin Trên hình ta thấy tổng sóng hài nguồn Inguồn sóng hài lọc tích cực phát Ilọc khơng Tuy nhiên, sóng ln thay đổi, lọc tích cực cần điều khiển theo tín hiệu dạng sóng nguồn dạng sóng tải phản ảnh qua phản hồi dịng điện Nhờ lọc tích cực chất lượng điện áp nâng lên tổn hao công suất lưới giảm BỘ LỌC TÍCH CỰC Bộ lọc gồm tụ điện cuộn cảm kết hợp với thiết bị chỉnh lưu cảm biến đo độ méo dòng điện Bộ cảm biến đo độ méo Hình 1: Mơ hình lọc hài tích cực Ưu điểm: Có thể làm triệt tiêu nhiều sóng hài lúc, khơng ảnh hưởng tới tổng trở hệ thống nên tránh tượng cộng hưởng Có thể dùng để cải thiện hệ số công suất (nhưng giáthành cao) Giả thiết nguồn áp lý tưởng: V0 = Va + Vb + Vc = 0, p0 = V0.I0 Bỏ qua công suất tổn hao cho tải pha khơng tuyến tính p, q phân tích thành: 𝑝𝐿 𝑝̅ + 𝑝̃𝐿 [𝑞 ] = [ 𝐿 ] 𝑞̅𝐿 + 𝑞̃𝐿 𝐿 𝑞̅𝐿 : công suất phản kháng chiều 𝑞̃𝐿 : công suất phản kháng xoay chiều 𝑝̅𝐿 : công suất tải chiều 𝑝̃𝐿 : công suất tải xoay chiều Các công suất mạch lọc tích cực cung cấp theo biểu thức: 𝑝𝐴𝐹 −𝑝̃𝐿 [𝑞 ] = [ ] −𝑞 ̅ ̃𝐿 𝐴𝐹 𝐿 −𝑞 Công suất chiều tải công suất tổn hao nghịch lưu ploss nguồn cung cấp 𝑝𝑆𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 = −𝑝̅ − 𝑝𝐿𝑜𝑠𝑠 Nguồn cung cấp cho tải thành phần công suất DC tải công suất tổn hao nghịch lưu Mạch lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất AC thành phần công suất phản kháng q a) Mơ hình tốn học mạch lọc [3] Bộ nghịch lưu pha điều khiển theo quy tắc kích đóng đối nghịch, nối với hệ thống thông qua cuộn cảm L Nguồn DC cấp áp cho nghịch lưu Khâu tạo xung nghịch lưu – Pulse, tạo xung dóng cắt cho nghịch lưu Bộ điều khiển nghịch lưu : Điều khiển thời điểm nghịch lưu tác động vào lưới thông qua CB pha Đồng thời điều khiển thời điểm tác động xung điều khiển đóng cắt van ban dẫn cho nghịch lưu Hình Mơ hình điều khiển mạch lọc tích cực Các tín hiệu ia, ib, ic tín hiệu dịng điện tải, va, vb, vc tín hiệu điện áp tải Các thành phần dòng điện điện áp tải chuyển sang hệ toạ độ αβ : v0 va 1/√2 1/√2 1/√2 v −1/2 −1/2 ] [vb ] [ ∝] = √ [ vβ √3/2 −√3/2 vc i0 1/√2 [i∝ ] = √ [ iβ 1/√2 −1/2 √3/2 1/√2 ia −1/2 ] [ib ] −√3/2 ic Công suất tải v0 0 p0 ia v v p [ ]=[ ∝ β ] [ib ] q −vβ v∝ ic Thành phần P0 = 0, cho p qua mạch lọc thông cao HPF thu thành phần xoay chiều AC p̃ Dòng điện mạch lọc tính theo: vα −vβ −p̃ + ploss i∗c∝ [∗ ]= ] [ vβ vα ] [ icβ −q vα + vβ Chuyển tọa độ thực: 1/√2 i∗ca ∗ [icb ] = √ [1/√2 i∗cc 1/√2 −i0 ∗ √3/2 ] [ ic∝ ] i∗cβ −1/2 −√3/2 Các dòng yêu cầu so sánh với dòng hồi tiếp mạch lọc để đưa xung đóng cắt van bán dẫn nghịch lưu b) Sơ đồ kiến trúc lọc tích cực Sơ đồ khối gồm hệ thống mạch lọc tích cực song song pha dây gồm khâu sau : Nguồn: Hệ thống nguồn pha dây cung cấp cho tải không cân Tải không cân bằng: Tải gồm chỉnh lưu cầu pha điều khiển hoàn toàn đối xứng, kết hợp với chỉnh lưu cầu pha Diode nối vào pha a −1/2 Hình Sơ đồ mạch lọc tích cực c) Khảo sát đáp ứng mạch lọc mạch lọc tác động : Khảo sát hoạt động mạch lọc tích cực, kiểm tra kết lọc sóng hài dịng điện nguồn bù cơng suất phản kháng mạch lọc mạch lọc tác động Thiết lập mơ hình mơ : Cho tải pha hoạt động trước, thời điểm 0.05s cho mạch lọc tích cực tác động, cho mạch lọc hoạt động từ thời điểm 0.05s kéo dài đến 0.1s Cài đặt tham số mô sau : - Thời gian mô : Simulation time/Stop time = 0.1 - Khâu control- điều khiển thời điểm mạch lọc nối với hệ thống đặt với thời điểm tác động 0.05 - Khâu tạo góc kích cho tải chỉnh lưu cầu đặt góc kích =0 - Giá trị điện áp nguồn xoay chiều pha UphaRMS = 220V - Giá trị điện áp DC nghịch lưu đặt giá trị UDC =400V Khâu tạo trễ tạo xung đóng cắt cho nghịch lưu đặt biên độ sai số hysteresis band =1 A Kết mô trùng pha nhau, hệ số công suất nguồn (Hình 7) Mạch lọc chưa tác động Mạch lọc tác động Ngay mạch lọc tác động, dịng điện nguồn khử sóng hài, với dịng điện dạng sin ( Hình 4) Hình : Dịng điện, điện áp nguồn hệ số cơng suất nguồn Mạch lọc chưa tác động Mạch lọc tác động Hình 4: Dịng tải dịng nguồn pha a - Dưới tác động mạch lọc, dòng điện pha nguồn cân bằng, đối xứng pha (Hình 5) Mạch lọc chưa tác động Mạch lọc tác động Hình : Dòng điện nguồn pha - Khi mạch lọc tác động, công suất tác dụng nguồn không dao động, công suất phản kháng nguồn gần khơng (Hình 6) Mạch lọc chưa tác động Mạch lọc tác động Hình : Cơng suất p, q nguồn Dòng điện nguồn điện áp nguồn hồn tồn Dựa kết mơ phỏng, mạch lọc tích cực thực chức sau :Khử sóng hài dịng điện, với dạng sóng dịng điện nguồn hoàn toàn sin - Khử thành phần cân – dịng trung tính nguồn pha, dịng điện pha nguồn hồn tồn cân - Bù công suất phản kháng cho tải, công suât phản kháng nguồn không Thành phần công suất tác dụng P nguồn ổn định không dao động so với thành phần công suất tác dụng P tải dao động lớn Hệ số cos nguồn Hệ số méo THD đạt tốt nhất: THD=0.20% Với hệ số méo này, mạch lọc loại bỏ sóng hài (hình 8) Hình : Tín hiệu phổ tần số tín hiệu d Khảo sát đáp ứng mạch lọc thay đổi công suất P,Q tải: Tải pha chỉnh lưu cầu pha điều khiển Khi thay đổi góc kích chỉnh lưu 0 cầu pha từ đến 180 làm dòng điện tải tải pha thay đổi giới han: Pha b, c có đỉnh biên độ dao động từ ->50A Pha a có đỉnh biên độ dao động từ 10A- > 60A Như vậy, cách thay đổi góc kích cho chỉnh lưu cầu pha làm thay đổi giá trị dòng điện tải tương ứng thay đổi công suất P, Q tải không cân Thiết lập mơ hình mơ phỏng: Cài đặt tham số mô sau : Thời gian mô : Simulation time/Stop time = 0.3s Khâu control- điều khiển thời điểm mạch lọc nối với hệ thống đặt với thời điểm tác động 0s Khâu tạo góc kích cho tải cài đặt thời điểm thay đổi góc kích sau : - Từ 0.0s -> 0.1s góc kích - Từ 0.1s -> 0.2s góc kích 50 - Từ 0.2s -> 0.3s góc kích 160 ( góc kích tương ứng khóa dịng điện qua chỉnh lưu cầu pha) Giá trị điện áp nguồn xoay chiều pha Upha- thay đổi góc kích ( Hình 11) Góc kích 0 0 Góc kích 50 Góc kích 160 Hình 11: Dịng điện nguồn pha - Công suất thực P thay đổi giảm dần theo thay đổi góc kích, khơng có dao động cơng suất thực thời điểm thay đổi góc kích Cơng suất phản kháng nguồn Góc kích 0 Góc kích 50 Góc kích 160 Hình 12: Cơng suất PQ nguồn - Dịng điện nguồn điện áp nguồn hoàn toàn trùng pha nhau, hệ số cơng suất nguồn (Hình 13) Góc kích 00 Góc kích 500 Góc kích 1600 RMS = 220V Giá trị điện áp DC nghịch lưu đặt giá trị UDC =400V Khâu tạo trễ tạo xung đóng cắt cho nghịch lưu đặt biên độ sai số hysteresis band =1 A Kết mô - Dòng điện nguồn thay đổi giảm dần theo dịng tải dịng điện nguồn hồn tồn sin Tại thời điểm thay đổi góc kích, dịng điện nguồn hồn tồn khơng dao động ( Hình 9) Hình 9: Dịng điện tải dịng điện nguồn pha Góc kích 0 Góc kích 50 Góc kích 160 a - Dòng điện nguồn pha cân bằng, đối xứng hoàn toàn sin thay đổi giảm dần theo góc kích, khơng có dao động thời điểm Hình 13 : Dịng điện, điện áp nguồn hệ số cơng suất nguồn Ứng với mơ hình thiết lập trên, mạch lọc tích cực hoạt động tốt phạm vi điều chỉnh tải, với đáp ứng q độ dịng điện nguồn, cơng suất P, Q nguồn thời điểm thay đổi độ tăng vọt bất thường, thời gian xác lập nhỏ Kết luận Kết thu qua việc khảo sát mạch lọc tích cực lọc sóng hài cho thấy hồn tồn loại bỏ ảnh hưởng của sóng hài tải phi tuyến đến nguồn điện lưới Quốc gia nhờ mạch lọc Hệ số méo THD giảm tới mức THD=0.20% nhỏ nhiều so với chuẩn quy định tải kỹ thuật 3% Bài tốn bù cơng suất phản kháng cho tải, công suât phản kháng nguồn không giải giữ công suất nguồn ổn định không b ị dao động ảnh hưởng tải phi tuyến Mặt khác khắc phục nhược điểm mạch lọc thụ động trở kháng mạch lọc thay đổi làm cho công suất tải thay đổi Tài liệu tham khảo Phan Đăng Khải, Bù công suất phản kháng lưới cung cấp điện phân phối điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật (2001) Nguyễn Hữu Phúc, Đánh giá tác động độ trình đóng cắt trạm tụ bù đền điện lưới, Trường Đại học Bách khoa TP HCM Thân Ngọc Hoàn, Mô hệ thống điện tử công suất truyền động điện, Nhà xuất xây dựng (2003), Nghị định phủ sử dụng lượng điện tiết kiệm hiệu (2006) Quyết định Công nghiệp ban hành Quy định đấu nối vào hệ thống điện quốc gia Tiếng Anh Abdullah M.F.,Hamid N H.,et al The study of Triplen Harmonic Currents Produced by Salient Pole Synchronous Generator, Electrical and Electronic Engineering Department, University Technologi PETTROAS, Malaysia 2011 Jos Arrillaga, Neville R Watson (2004), Power system harmonics, Wiley J.C.Das (2002), Power system harmonics short circuit load flow and Harmonic,Marcel Dekker Inc IEEE 519-1992 IEEE Recommended Pratices and Requiremment for Harmonic control in Electical Power System IEEE Industry Applycations Society/power engineering societ, published by the Institue of Electrical and Electronics Engineers, American National Standards Institue 10 F.J Pazos, J.J Amantegui, F Ferrandis, H Gago A Barona (2005) ''Capacitor bank monitoring for switching transient reduction" 2005 Iberdrola.Spain 11 Ramasamy Natarajan (2005), Power System capacition, ebook 12 Thomas E Grebe; Capacitor Switching and Its Impact on power Quality, Prapared on Request of CIGRE 36.05/CIRED (Voltage Quality) Trang web 13 http://www.ptc1.com.vn/websitedonvi/ehb/tintuc/ doc.asp?Act=5&CatID=32&NewsID=89&tab= 14 http://en.wikipedia.org/wiki/Harmonics_(electrical _power)