Bài tập lớn chất lượng điện năng

Bài tập lớn chất lượng điện năng đại học Bách khoa Hà Nội. Đề bài: Xử lý số liệu, tính toán các chỉ số chất lượng điện năng theo đề bài ra. Tách sóng hài và quá độ. Nhận xét về kết quả.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÀI TẬP LỚN Biểu diễn dạng sóng hài cố thống qua dựa liệu chất lượng điện ĐOÀN VĂN THẮNG Thang.dv174199@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điện Chuyên ngành Điện công nghiệp dân dụng Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Việt Tiến Môn Mã lớp Chất lượng điện 129101 HÀ NỘI, 12/2021 Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc thầy Lê Việt Tiến tạo điều kiện cho em làm báo cáo Trong trình làm báo cáo, kiến thức chưa sâu sắc nên báo cáo không tránh khỏi sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy để em học hỏi nhiều kiến thức, kĩ kinh nghiệm để hoàn thành tốt thời gian tới Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu chung sóng hài 1.3 Biến đổi Fourier [1] 1.4 Các đại lượng chế độ không sin 1.5 Các tiêu đánh giá sóng hài: Độ méo sóng hài tổng THD (Total Harmonic Distortion) Độ méo yêu cầu tổng TDD (Total Demad Distortion) Độ biến dạng riêng lẻ IHD 1.6 Tách sóng hài độ 1.7 Nhận xét CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN 10 2.1 Nhiệm vụ 10 2.2 Nhiệm vụ 10 Vẽ dạng sóng điện áp dịng điện 11 Dạng sóng chu kỳ cuối cùng, THD, IHD 11 2.3 Nhiệm vụ 25 Điện áp 25 Dòng điện 26 CHƯƠNG NHẬN XÉT KÊT QUẢ 28 3.1 Tổng độ méo sóng hài THD 28 3.2 Công suất 28 3.3 Sóng hài bậc cao độ điện áp 29 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Dạng sóng sin dạng sóng hài Hình Dạng sóng bậc lẻ (a) chẵn (b) Hình Phân tích Fn thành hai thành phần an bn Hình Dạng sóng nguồn sóng hài 10 Hình Sóng điện áp 11 Hình Sóng dịng điện 11 Hình Cường độ sóng điều hòa điện áp pha A 14 Hình Cường độ sóng điều hịa điện áp pha B 14 Hình Cường độ sóng điều hịa điện áp pha C 14 Hình 10 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha A 17 Hình 11 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha B 17 Hình 12 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha C 17 Hình 13 Cường độ sóng điều hòa điện áp pha A 20 Hình 14 Cường độ sóng điều hòa điện áp pha B 21 Hình 15 Cường độ sóng điều hịa điện áp pha C 21 Hình 16 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha A 24 Hình 17 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha B 24 Hình 18 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha C 24 Hình 19 Điện áp chu kỳ độ 25 Hình 20 Dạng sóng điện áp bậc chu kỳ độ 26 Hình 21 Thành phần sóng hài bậc cao độ điện áp 26 Hình 22 Dòng điện chu kỳ độ 27 Hình 23 Dạng sóng dịng điện bậc chu kỳ độ 27 Hình 24 Thành phần sóng hài bậc cao q độ dịng điện 27 Hình 25 Sóng hài bậc cao độ điện áp 29 Hình 26 Sóng hài bậc cao độ dòng điện 30 DANH MỤC HÌNH VẼ Bảng Giới hạn độ méo sóng hài điện áp Bảng Dạng sóng điện áp chu kỳ pha A 11 Bảng Dạng sóng điện áp chu kỳ pha B 12 Bảng Dạng sóng điện áp chu kỳ pha C 13 Bảng Dạng sóng dịng điện chu kỳ pha A 15 Bảng Dạng sóng dịng điện chu kỳ pha B 15 Bảng Dạng sóng dịng điện chu kỳ pha C 16 Bảng Công suất pha công suất tổng 18 Bảng Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha A 18 Bảng 10 Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha B 19 Bảng 11 Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha C 19 Bảng 12 Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha A 21 Bảng 13 Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha B 22 Bảng 14 Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha C 23 Bảng 15 Công suất pha công suất tổng 25 Bảng 16 Dạng sóng điện áp chu kỳ độ pha A 25 Bảng 17 Dạng sóng dịng điện chu kỳ độ pha A 26 Bảng 18 THD sóng hài trước sau ảnh hưởng 28 Bảng 19 Cơng suất sóng hài trước sau ảnh hưởng 29 Bảng 20 Bảng giá trị D 29 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Đặt vấn đề Chất lượng điện bao gồm tần số, điện áp Tần số thông số mang tính hệ thống giữ ổn định Một tiêu chất lượng quan trọng điện áp thành phần sóng hài Trước thành phần sóng hài khơng ý đến u cầu chất lượng điện chưa cao, mặt khác thiết bị gây sóng hài cịn Hiện chất lượng điện u cầu cao hơn, thiết bị điện tử công suất lớn sử dụng nhiều, dẫn tới tăng tỷ lệ sóng hài so với sóng Các thiết bị sử dụng điện hoạt động tốt chất lượng điện đảm bảo Sóng hài sinh lưới điện tồn phần tử phi tuyến, gây bất lợi như; gây méo tín hiệu sin lưới điện, làm giảm hệ số công suất, tăng tổn thất, giảm độ tin cậy cung cấp điện, làm giảm chất lượng điện Nên việc lọc bỏ thành phần sóng hài cần giải Tiếp theo ta tìm hiểu chung sóng hài bậc cao 1.2 Giới thiệu chung sóng hài Sóng hài hay sóng hài coi tổng dạng sóng sin mà tần số bội số nguyên tần số Hình Dạng sóng sin dạng sóng hài Ở chế độ vận hành đối xứng sóng hài bậc cao chia thành thành phần thứ tự thuận, nghịch, không: - Thành phần thứ tự thuận: Các sóng hài bậc 4, 7, 11, … - Thành phần thứ tự nghịch: Các sóng hài bậc 2, 8, … - Thành phần thứ tự khơng: Các sóng hài bậc 3, 6, 9, … Khi vận hành khơng đối xứng sóng hài bao gồm ba thành phần thứ tự nói Hình Dạng sóng bậc lẻ (a) chẵn (b) Sóng hài bậc cao ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lưới điện phải ý tổng sóng hài dịng điện bậc cao mức độ cho phép Sóng hài dịng điện bậc cao dịng điện có tần số bội số nguyên lần tần số Ví dụ 150(Hz) lưới 50 (Hz) dòng điều hòa bậc 3, dòng 150(Hz) dịng khơng sử dụng với thiết bị lưới Vì chuyển sang dạng nhiệt gây tổn hao Sử dụng chuỗi Furier với chu kỳ T(s), tần số f=1/T(s) (Hz) hay =2f (rad) biểu diễn sóng hài với biểu thức sau: f (t ) = a0 i = +  Fn sin(nt + n ) i =1 (1) Trong đó: Fn: Biên s sóng hài bậc n chuỗi Fourier a0 :Giá trị trung bình F1 sin(t +  N ) : Thành phần sóng hài Fn sin(t +  N ) : Thành phần sóng hài bậc n  N :Góc pha sóng hài bậc n Có thể viết lại sau: Fn sin(nt +  N ) = Fn (sinn  t.cos N + sin  N cosn  t) (2) Fn sin  N = bn Fn cos  N = an Hình Phân tích Fn thành hai thành phần an bn Khi viết sau: f (t ) = i = a0 i = +  an cos nt +  bn sin nt i =1 i =1 (3) Hay viết dạng sau: f (t ) = a0 i = 2 nt 2 nt +  (an cos + bn sin ) i =1 T T (4) 1.3 Biến đổi Fourier [1] Vector bậc n tương ứng: A N = an + jbn Biên độ sóng điều hịa là: A = an + bn Góc pha là:  bn    an   N = arctan  Hệ số ao biểu thức rút cách lấy tích phân vế phương trình từ -T/2 đến T/2 (với chu kỳ T)   2 nt 2 nt    x(t )dt =   a0 +   an cos + bn sin  dt  T T   n =  −T /2 −T /2 T /2 T /2 (5) Ta lấy tích phân số hạng vế phải: T /2  T /2 2 nt 2 nt  x(t )dt =a0  dt +   an  cos dt + bn  sin dt   T T n = −T /2 −T /2 −T /2  −T /2  T /2 T /2  (6) Số hạng vế phải có giá trị aoT biểu thức lại giá trị khơng Vậy ao tính tính theo cơng thức sau T /2 a0 =  x(t )dt T −T /2  2 mt  Tính hệ số an cách nhân hai vế phương trình với cos   với m số  T  nguyên dương Sau lấy tích phân từ -T/2 đến T/2   2 mt 2 nt 2 nt   2 mt  x(t )cos dt =   a0 +   an cos + bn sin dt   cos  T T T T   n =   −T /2 −T /2 T /2 T /2 T /2  x(t )cos −T /2 T /2 T /2 T /2   2 mt 2 mt 2 nt 2 mt 2 nt 2 mt  dt =a0  cos dt +   an  cos cos dt + bn  sin cos dt  T T T T T T n =1  −T /2 −T /2 −T /2  (7) Tính thành phần vế phải: T /2  a0 cos −T /2 2 mt =0 T Với m n ta có: cos 2 nt 2 mt 1 2 (m + n)t 2 (m − n)t  cos dt = an   cos + cos =0 T T T T  −T /2  cos 2 nt 2 mt 1 2 (m + n)t 2 (m − n)t  cos dt = bn   cos + cos =0 T T T T  −T /2  T /2  an T /2 −T /2 T /2 bn  T /2 −T /2 Khi thay m=n vào cơng thức (6) ta có: 2 mt 2 nt 2 nt x(t)cos =  x(t)cos = an  cos  T T T −T /2 −T /2 −T /2 T /2 T /2 T /2 a a a 4 nt = n  cos dt + n  dt = n T −T /2 T −T /2 T /2 T /2 2 nt x(t)cos Vậy hệ số an tính theo công thức với n = →   T −T /2 T T /2 Tương tự hệ số bn tính cách nhân hai vế với sin 2 nt với m số T nguyên dương ta có: 2 nt bn =  x(t)cos với n = →  T −T /2 T T /2 Ta thấy x(t) hàm đối xứng lẻ x(t)=-x(-t) an với tất giá trị n Như chuỗi Fourier hàm lẻ có thành phần hình sin Cịn x(t) hàm đối xứng chẵn x(t)=x(-t) bn với tất giá trị n Chuỗi Fourier có thành phần hàm cos Một sóng có dạng chẵn lẻ tùy thuộc vào thời gian tham chiếu lựa chọn Hàm x(t) gọi làđỗi xứng x(t)=x(t+T/2) Dạng sóg tín hiệu có tín hiệu thời điểm từ (t+T/2) đến (t+T) âm từ t đến (t+T/2) Biến đổi tương tự ta có Bảng Cơng suất pha công suất tổng Pha A B C Tổng Biến dạng công suất D Biến dạng công suất: P(W) 2740082.773 3103582.121 3052202.882 8895867.776 Q(Var) -300100.829 -114094.208 -535875.297 -950070.334 628628.3283 S(VA) 2757042.07 3112301.85 3099171.61 8968515.52 2.2.2.2 Chu kỳ cuối cùng: Điện áp: Bảng Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha A Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha A Bậc Biên độ Góc lệch(rad) IHD (%) Biên độ bình phương 53743.32 1.19 100.000 170.18 1.53 0.317 28961.42 986.87 1.11 1.836 973909.28 390.63 -0.95 0.727 152595.41 36.93 0.55 0.069 1363.89 11 86.69 0.50 0.161 7515.86 13 31.53 0.64 0.059 994.15 15 31.21 0.37 0.058 974.15 17 31.76 0.80 0.059 1008.47 19 117.00 1.05 0.218 13689.56 21 9.36 -0.78 0.017 87.66 23 22.05 -0.09 0.041 486.23 25 35.63 0.69 0.066 1269.34 27 15.80 0.51 0.029 249.68 29 36.47 0.29 0.068 1330.18 31 54.66 0.68 0.102 2987.64 33 23.95 1.38 0.045 573.47 35 40.39 -0.17 0.075 1631.47 37 61.66 0.76 0.115 3802.03 39 35.27 1.37 0.066 1243.70 THD(%) 2.03 18 Bảng 10 Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha B Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha B Bậc Biên độ Góc lệch(rad) IHD (%) Biên độ bình phương 53765.85 0.15 100.000 151.79 0.72 0.282 23038.93 1067.81 -0.90 1.986 1140227.45 309.28 1.30 0.575 95651.97 79.13 0.41 0.147 6260.93 11 88.43 0.93 0.164 7819.05 13 66.28 0.30 0.123 4393.60 15 52.94 0.43 0.098 2802.79 17 52.80 0.60 0.098 2788.16 19 87.80 0.42 0.163 7708.76 21 53.27 0.48 0.099 2837.31 23 66.15 0.49 0.123 4375.89 25 57.47 0.54 0.107 3303.27 27 48.37 0.83 0.090 2339.29 29 85.85 0.90 0.160 7370.23 31 76.33 0.49 0.142 5825.52 33 79.33 1.02 0.148 6292.66 35 86.52 0.62 0.161 7485.38 37 92.50 0.56 0.172 8556.26 39 68.50 1.16 0.127 4692.67 THD(%) 2.16 Bảng 11 Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha C Dạng sóng điện áp chu kỳ cuối pha C Bậc Biên độ Góc lệch(rad) IHD (%) Biên độ bình phương 53555.44 -0.90 100.000 127.07 -0.58 0.237 16145.90 1104.94 0.05 2.063 1220882.01 19 310.95 -0.07 0.581 96687.81 42.92 0.28 0.080 1841.70 11 37.69 -0.90 0.070 1420.34 13 38.07 0.02 0.071 1449.03 15 21.88 0.52 0.041 478.69 17 22.55 0.32 0.042 508.70 19 69.12 -1.25 0.129 4777.77 21 51.23 0.66 0.096 2624.20 23 49.23 0.74 0.092 2423.81 25 22.79 0.32 0.043 519.44 27 33.77 0.98 0.063 1140.58 29 59.70 1.26 0.111 3564.35 31 24.60 0.08 0.046 605.24 33 57.49 0.87 0.107 3304.93 35 64.76 1.08 0.121 4193.75 37 34.45 0.19 0.064 1187.09 39 34.70 0.96 0.065 1203.88 THD(%) 2.18 ➢ Vẽ cường độ sóng điều hịa: Hình 13 Cường độ sóng điều hòa điện áp pha A 20 Hình 14 Cường độ sóng điều hịa điện áp pha B Hình 15 Cường độ sóng điều hịa điện áp pha C Dịng điện: Bảng 12 Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha A Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha A Bậc Biên độ Góc lệch(rad) IHD (%) Biên độ bình phương 53.50 0.94 100.000 1.12 0.80 2.090 1.25 6.91 0.72 12.914 47.73 0.47 1.09 0.875 0.22 0.11 -1.16 0.197 0.01 11 0.09 1.09 0.171 0.01 13 0.05 -1.31 0.088 0.00 15 0.06 0.73 0.104 0.00 17 0.03 1.50 0.063 0.00 19 0.04 1.05 0.073 0.00 21 21 0.03 0.80 0.062 0.00 23 0.04 0.55 0.068 0.00 25 0.05 0.55 0.085 0.00 27 0.04 1.21 0.078 0.00 29 0.05 0.41 0.094 0.00 31 0.07 0.26 0.137 0.01 33 0.06 0.65 0.105 0.00 35 0.06 -1.26 0.113 0.00 37 0.15 0.00 0.288 0.02 39 0.12 1.12 0.227 0.01 THD(%) 13.12 Bảng 13 Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha B Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha B Bậc Biên độ Góc lệch(rad) IHD (%) Biên độ phương 61.70 -0.12 100.000 1.06 0.21 1.725 1.13 6.33 -1.39 10.252 40.01 0.13 -0.04 0.210 0.02 0.18 1.47 0.290 0.03 11 0.10 1.52 0.157 0.01 13 0.13 0.83 0.204 0.02 15 0.08 0.87 0.123 0.01 17 0.06 0.79 0.094 0.00 19 0.07 0.76 0.119 0.01 21 0.06 0.80 0.100 0.00 23 0.07 0.17 0.118 0.01 25 0.06 0.50 0.104 0.00 27 0.08 1.02 0.138 0.01 29 0.11 0.63 0.185 0.01 31 0.07 -0.11 0.109 0.00 33 0.10 1.12 0.170 0.01 35 0.06 0.03 0.092 0.00 bình 22 37 0.16 -0.45 0.252 0.02 39 0.13 1.27 0.216 0.02 THD(%) 10.42 Bảng 14 Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha C Dạng sóng dịng điện chu kỳ cuối pha C Biên độ bình phương Bậc Biên độ Góc lệch(rad) IHD (%) 58.75 -1.04 100.000 0.39 -1.27 0.653 0.15 6.79 -0.26 11.492 46.06 0.43 -1.55 0.725 0.18 0.09 1.25 0.156 0.01 11 0.05 -0.95 0.085 0.00 13 0.02 0.76 0.035 0.00 15 0.01 -0.87 0.022 0.00 17 0.03 0.78 0.044 0.00 19 0.03 0.12 0.051 0.00 21 0.01 -0.04 0.019 0.00 23 0.03 1.14 0.046 0.00 25 0.01 -0.69 0.022 0.00 27 0.01 0.52 0.022 0.00 29 0.09 0.86 0.151 0.01 31 0.04 0.35 0.067 0.00 33 0.08 -0.03 0.134 0.01 35 0.13 0.47 0.228 0.02 37 0.06 0.02 0.099 0.00 39 0.02 -0.83 0.031 0.00 THD(%) 11.60 ➢ Vẽ cường độ sóng điều hịa: 23 Hình 16 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha A Hình 17 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha B Hình 18 Cường độ sóng điều hịa dịng điện pha C 24 Cơng suất: Bảng 15 Công suất pha công suất tổng Pha P(W) Q(Var) S(VA) A 2794454.671 706256.6188 2882726.11 B 3202959.575 888814.379 3324217.02 C 3125557.501 421939.4539 3154138.9 Tổng 9122971.747 2017010.452 9361082.03 Biến dạng công suất D 576985.4103 2.3 Nhiệm vụ Đề bài: Hiện tượng gián đoạn (30%) Dạng đồ thị bao gồm hai thành phần sóng hài độ Nhiệm vụ phần tách thành phần gián đoạn (sóng hài độ) từ dạng sóng (khơng có thành phần sóng bản) Hay đưa phương pháp để tách dạng sóng diễn tả chi tiết cách thức Ở phân tích điện áp dịng điện pha A Dựa vào cơng thức tính tốn phần (1.6) ta kết tách thành phần sóng hài bậc cao thành phần độ Quá độ chu kỳ thứ Điện áp Dựa vào công thức Fourier nghịch đảo (1.3) ta tính dạng sóng sau: Bảng 16 Dạng sóng điện áp chu kỳ độ pha A Dạng sóng điện áp độ pha A Bậc Biên độ Góc lệch(rad) 52743.08 -1.55 Ta vẽ dạng sóng: Điện áp chu kỳ độ: Hình 19 Điện áp chu kỳ độ 25 Dạng sóng điện áp bậc bản: Hình 20 Dạng sóng điện áp bậc bản chu kỳ độ Thành phần sóng hài bậc cao độ điện áp Hình 21 Thành phần sóng hài bậc cao q độ điện áp Dịng điện Dựa vào cơng thức Fourier nghịch đảo (1.3) ta tính dạng sóng sau: Bảng 17 Dạng sóng dịng điện chu kỳ độ pha A Dạng sóng dịng điện q độ pha A Bậc Biên độ Góc lệch(rad) 65.73 -1.44 Ta vẽ dạng sóng: Dịng điện chu kỳ độ: 26 Hình 22 Dòng điện chu kỳ q độ Dạng sóng dịng điện bậc bản: Hình 23 Dạng sóng dịng điện bậc bản chu kỳ độ Thành phần sóng hài bậc cao độ dòng điện Hình 24 Thành phần sóng hài bậc cao q độ dịng điện 27 CHƯƠNG NHẬN XÉT KẾT QUẢ 3.1 Tổng độ méo sóng hài THD Bảng tổng kết độ méo sóng hài điện áp dòng điện trước sau ảnh hưởng: Bảng 18 THD sóng hài trước sau ảnh hưởng THD Pha Trước ảnh hưởng Sau ảnh hưởng Va 3.12 2.03 Vb 2.97 2.16 Vc 3.24 2.18 Ia 5.58 13.12 Ib 4.16 10.42 Ic 4.72 11.60 Ta thấy: Điện áp: THD điện áp sau ảnh hưởng nhỏ trước ảnh hưởng Cụ thể nhỏ 34.9%, 27.5 % 32.58% ứng với pha A, B C THDv đặc trưng cho méo sóng hài điện áp Một số giá trị THD v tượng tương ứng mạng điện sau: -THDV