Dựa trên nền tảng của các bộ biến đổi van công suất lớn, bộ lọc tích cực có nguyên lý làm việc hoàn toàn khác so với bộ lọc thụ động, cũng như có nhiều ưu điểm và tính năng hơn.
Tác dụng của mạch lọc tích cực
Bù công suất phản kháng: Bộ lọc tích cực có khả năng bù công suất phản kháng
để nâng cao cosφ
Bù sóng hài điện áp: Thường không được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì
điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố tăng, giảm áp. Vấn đề bù điện áp chỉ được xem xét khi tải nhạy với sự xuất hiện của sóng hài điện áp bậc cao trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện.
Bù sóng hài dòng điện: Có ý nghĩa quan trọng đối với các tải có công suất vừa
và nhỏ. Việc giảm thành phần sóng hài dòng điện trong lưới còn có tác dụng làm giảm độ méo dạng điện áp tại điểm đấu dây trung tính.
Phạm vi công suất của bộ lọc tích cực
Đối với công suất thấp: Là các ứng dụng có công suất nhỏ hơn 100kVA, chủ yếu
phục vụ cho các khu dân cư, các toà nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ thống truyền động công suất nhỏ và vừa. Tính chất của các hệ thống tải này đòi hỏi hệ thống mạch lọc tương đối phức tạp, có đáp ứng động học cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiều mạch lọc tích cực ở các dải công suất cao hơn, thay đổi trong khoảng chục µs đến vài ms.
Đối với công suất trung bình: Phạm vi hoạt động của các thiết bị nằm trong
khoảng từ 100kVA đến 10MVA. Ví dụ các mạng cung cấp điện trung và cao áp, hệ thống truyền động công suất lớn mắc vào nguồn áp hớn. Mục đích chính của các mạch lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các sóng điều hoà bậc cao của dòng điện. Tốc độ đáp ứng bù, lọc trong hệ thống ở khảng hàng chục ms.
Đối với công suất rất lớn: Dải công suất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải
Mạch bù, lọc tích cực cho phạm vi công suất rất lớn rất tốn kém vì đòi hỏi phải sử dụng các van công suất có khả năng đóng cắt dòng điện rất lớn.
Đối với sử dụng bộ lọc tích cực có 2 phương pháp, phân loại theo cách mắc vào hệ thống:
Lọc tích cực mắc song song
Lọc tích cực mắc nối tiếp
Lọc tích cực mắc song song ( shunt active power filter)
Mục đích của lọc tích cực kiểu song song trên hình 2.8 là loại bỏ sóng hài ở tải chảy về nguồn. Nó cũng có thể phân phối bù công suất phản kháng và cân bằng dòng điện 3 pha. Trong cấu hình này lọc tích cực hoạt động giống một nguồn dòng phun thành phần sóng hài sinh ra bởi tải nhưng có biên độ bằng với biên độ sóng hài và lệch pha so với chúng 180 độ. Nguyên lí này có thể ứng dụng cho bất kì kiểu tải nào được xem xét giống như nguồn sóng hài. Hơn thế nữa, cùng với một sơ đồ điều khiển phù hợp, lọc tích cực cũng có thể bù được hệ số công suất tải. Trong cách này, hệ thống phân phối điện nhìn tải phi tuyến và lọc tích cực giống như một điện trở. Đặc tính bù dòng điện của bộ lọc tích cực mắc song song được trình bày ở hình 2.8
Hình 2.8 Lọc tích cực kiểu song song
Trên hình 2.8 ta thấy dòng điện tải IL có dạng điều hoà không sin. Bộ lọc tích cực được mắc song song với tải và đưa ra dòng bù IC có biên độ bằng với biên độ dòng hài bậc cao của tải nhưng có độ lệch pha là 180 độ với dòng hài này. Khi đó ta thu được dòng điện nguồn IS có dạng điều hoà hình sin.
Lọc kiểu song song có lợi thế là có thể phun dòng điện bù với một lượng nhỏ dòng điện làm việc ở tần số cơ bản để bù cho tổn thất của hệ thống. Nó có thể kết nối một vài mạch lọc song song với nhau để phục vụ cho việc bù các dòng điện cao hơn, điều này làm cho nó phù hợp với một dải công suất rất rộng.
Lọc tích cực kiểu mắc nối tiếp ( Series active power filter)
Đặc điểm của mạch lọc tích cực nối tiếp trên hình 2.9 là bù sóng điều hoà bậc cao, điều chỉnh và cân bằng điện áp ở điểm đấu nối.
Lọc tích cực kiểu nối tiếp là bộ lọc được đặt nối tiếp ở giữa nguồn và tải ( hoặc nguồn sóng hài) để cưỡng bức dòng điện nguồn trở thành hình sin. Ở trong cách này lọc tích cực kiểu nối tiếp được hiện diện như một trở kháng cao đối với sóng hài dòng điện, tạo ra sự cách ly sóng hài bậc cao giữa tải và nguồn lưới thông qua việc tạo ra một điện áp tương đương dọc đường dây phía thứ cấp máy biến áp, do đó ngăn cản sóng hài dòng điện chảy từ tải đến nguồn và từ phía nguồn về tải.
Điện áp dọc đường dây do bộ lọc tạo ra ngược pha với tổng sóng điều hoà điện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần này, đảm bảo dạng sóng nguồn hình sin.
Hình 2.9 Lọc tích cực kiểu nối tiếp
Ở hình 2.9 ta thấy bộ lọc tích cực được đặt ở giữa, mắc nối tiếp với tải phi tuyến. Khi đó bộ lọc trở thành nguồn sinh ra sóng hài cưỡng bức sóng hài sinh ra từ tải, trả về dạng sin cho lưới. Lọc tích cực trong cấu hình này sinh ra sóng điện áp PWM để cộng hoặc trừ giá trị tức thời điện áp nguồn cung cấp để duy trì sóng điện áp đến tải là hình sin chuẩn.
Lợi ích chính của kiểu lọc tích cực mắc nối tiếp so với kiểu lọc mắc song song là nó lý tưởng cho việc loại bỏ sóng hài điện áp và cân bằng được điện áp ba pha. Điều này trên thực tế có nghĩa rằng loại lọc này được dùng để cải thiện chất lượng của hệ thống điện áp cho các lợi ích của tải. Nó cung cấp cho tải một điện áp thuần sin, điều này là hết sức quan trọng cho các thiết bị nhạy cảm với điện áp.
Kết luận:
Ảnh hưởng của sóng hài lên hệ thống điện rất lớn, nó làm giảm cách điện của vật liệu vì vậy làm giảm tuổi thọ của thiết bị, gây tăng tổn hao trên máy biến áp, giảm hiệu suất của máy điện quay và sinh nhiệt làm nóng động cơ. Ngoài ra còn làm giảm độ tin cậy của các thiết bị đóng cắt, bảo vệ hệ thống điện: tác động sai, nhầm…
Có nhiều phương pháp để giảm sóng hài như: đấu nối máy biến áp, lắp đặt thêm cuộn dây cản dịu cho máy điện quay, sử dụng các bộ lọc công suất để bù, cưỡng bức các thành phần sóng hài bậc cao.
Đối với lưới điện có nhiều thành phần tải phi tuyến tham gia, ta chưa thể xác định rõ từng thành phần sóng hài, vì vậy việc sử dụng bộ lọc tích cực là giải pháp rất hiệu quả để chủ động loại bỏ các thành phần hài này. Chương 3, 4 sẽ đi sâu nghiên cứu về vấn đề này.
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI VÀ HỆ THỐNG LỌC TÍCH CỰC 3 PHA 3 DÂY