Các sự cố do sóng hài gây ra tại các hộ sử dụng điện phổ biến hơn trên hệ
thống cung cấp điện. Các tải phi tuyến được đặt bên trong các thiết bị điện của hộ
sử dụng là chủ yếu và mức độ méo điều hoà lớn nhất xảy ra tại điểm gần với nguồn sinh ra điều hoà. Các sự cố nguy hiểm nhất chủ yếu khi có hiện tượng cộng hưởng (khi các tải phi tuyến kết hợp với hệ thống tụ bù hay tụđùng để nâng cao hệ số công suất). Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 đưa ra các giới hạn méo dòng hài tại điểm PCC các giới hạn này được tổng kết ở Bảng 3.2 [16]. Bảng 3.2 Giới hạn méo dòng điện điều hoà tỉ lệ phần trăm của IL [16] Vn < 69kV ISC /IL h<11 11≤<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <20 20-50 50-100 100-1000 >1000 4.0 7.0 10.0 12.0 15.0 2.0 3.5 4.5 5.5 7.0 1.5 2.5 4.0 5.0 6.0 0.6 1.0 1.5 2.0 2.5 0.3 0.5 0.7 1.0 1.4 5.0 8.0 12.0 15.0 20.0 69kV < Vn ≤ 161kV <20 20-50 50-100 2.0 3.5 5.0 1.0 1.75 2.25 0.75 1.25 2.0 0.3 0.5 0.75 0.15 0.25 0.35 2.5 4.0 6.0
49 100-1000 >1000 6.0 7.5 2.75 3.5 2.5 3.0 1.0 1.25 0.5 0.7 7.5 10.0 Vn > 161kVC <50 ≥50 2.0 3.0 1.0 1.50 0.75 1.15 0.3 0.45 0.15 0.22 2.5 3.75 Trong đó: Ih là biên độ của các thành phần sóng hài. ISC là dòng điện ngắn mạch tại điểm PCC IL là thành phần cơ bản của dòng tải đỉnh nhu cầu tại điểm PCC. Nó có thể được tính toán như là giá trị trung bình của các dòng nhu cầu cho 12 tháng hay nó có thể được ước tính.
Các giới hạn sóng hài dùng cho các thành phần hài bậc lẻ. Các thành phần hài bậc chẵn được giới hạn trong khoảng 25% .
Độ méo dòng điện tạo ra các dòng một chiều tại điểm PCC là không được phép.
Độ méo nhu cầu tổng được biểu diễn theo công thức sau: % 100 I D 2 2 h L I TD ∑ = [15] 3.2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI
Méo điều hoà hiện diện trên hệ thống điện ở mức độ khác nhau, về cơ bản thì méo điều hòa chỉ được điều chỉnh khi nó vượt qua giới hạn cho phép. Do đó những sự cố về sóng hài liên quan đến mấy vấn đề chính sau [15]:
- Nguồn các dòng hài là quá lớn.
- Đường dây dẫn quá dài (về mặt điện), gây nên méo điện áp lớn và nhiễu cho
đường dây điện thoại.
- Các đáp ứng của hệ thống có một hay nhiều sóng hài đến mức độ cao hơn giới hạn cho phép (cộng hưởng).
Khi một trong những sự cố về sóng hài trên xuất hiện thì các lựa chọn đểđiều chỉnh các sóng hài là:
50 + Thêm vào các bộ lọc để hạn chế các dòng hài, chặn các dòng hài này đi vào hệ
thống.
Thay đổi các đáp ứng tần số của hệ thống nhờ bộ lọc, cuộn cảm hay tụđiện,...
3.2.1 Giảm dòng hài trong Tải
Đối với các Tải có sẵn thì rất khó làm giảm lượng sóng hài mà nó sinh ra. Các thiết bị hồ quang điện và các thiết bị biến đổi công suất thì sóng hài phát ra đều nằm trong tính toán thiết kế. Các kiểu nối dây máy biến áp cũng được ứng dụng để
giảm dòng hài trong hệ thống điện ba pha.
3.2.2 Lọc sóng hài
Có nhiều cách lọc sóng hài :
Trong số đó là Bộ lọc nhánh hoạt động theo nguyên lý làm ngắn mạch các dòng hài và chúng càng gần nguồn hài càng tốt, điều này để tránh các dòng hài đi vào nguồn cung cấp. Đây là Bộ lọc được dùng khá phổ biến bởi vấn đề kinh tế và nó có thể nâng cao hệ số công suất cùng với việc loại trừ các dòng hài khỏi hệ
thống.
Một kiểu lọc khác là Bộ lọc nối tiếp nhưng nó rất ít được ứng dụng do khó khăn về cách điện và điện áp tải bị méo rất nhiều.
Một loại kiểu lọc khác là Bộ lọc tích cực là kết hợp giữa vi xử lý và các thiết bịđiện tử công suất. Với Bộ lọc này thì có thể giảm THDi đáng kể.
3.2.3 Điều chỉnh đáp ứng tần số của hệ thống
Có rất nhiều các phương pháp để điều chỉnh đáp ứng hệ thống tránh các tác động tiêu cực của sóng hài:
+ Thêm vào một bộ lọc nhánh: Bộ lọc này không những loại trừ các sóng hài ra khỏi hệ thống mà còn thay đổi một cách hoàn toàn các đáp ứng tần số của hệ thống, thường là theo chiều hướng tích cực.
+ Thêm vào một cuộn kháng để điều chỉnh hệ thống: Các hiện tượng cộng hưởng nói chung là có hại, chúng làm xuất hiện giữa điện kháng của hệ thống và các tụ điện nâng cao hệ số công suất. Một phương pháp đơn giản là đặt các cuộn kháng nối tiếp với các tụđiện để thay đổi cộng hưởng của hệ thống mà không cần thay đổi
51 điều chỉnh tụđiện nhằm tạo ra một bộ lọc.
+ Thay đổi giá trị dung kháng: Nó thường là một trong các lựa chọn kinh tế nhất cho cả người cung cấp và các hộ tiêu dùng điện.
+ Di chuyển tụđiện: Tụđiện được di chuyển đến một điểm nào đó trên hệ thống để
tránh cộng hưởng. Biện pháp này cũng có thể được dùng khi các tụ bù gây nên các nhiễu cho đường dây truyền thông. Nhưng đối với các hộ sử dụng điện công nghiệp thì nó không phải là giải pháp khả thi bởi vì không thể di chuyển tụ điện đến một nơi khác đủ xa được.
+ Loại bỏ tụđiện:Đơn giản là chịu chấp nhận tổn hao cao hơn, điện áp thấp hơn và chịu phạt về hệ số công suất. Nếu vấn đề khả thi về mặt công nghệ, nó đôi khi lại là sự lựa chọn kinh tế nhất.
3.3 VỊ TRÍ ĐIỀU CHỈNH ĐIỂM CỘNG HƯỞNG
3.3.1 Trên các hệ thống phân phối của nhà cung cấp
Trên hệ thống phân phối của nhà cung cấp thì tỉ lệ X/R rất nhỏ [15], vì thế
biên độ điều hoà cộng hưởng với các tụ bù của nhà cung cấp thường cũng rất nhỏ, nếu so sánh với biên độ cộng hưởng ở hộ sử dụng điện công nghiệp. Khi đó ta đặt tụ
bù tại bất kì nơi nào mong muốn, không cần quan tâm đến các sự cố sóng hài có xảy ra hay không.
Tuy nhiên trong một vài trường hợp, méo điện áp từ các cộng hưởng tụ bù này có thể vượt quá giới hạn cho phép nên cần phải loại trừ điểm điều hòa. Sự cố
dòng hài ở trên mạng cung cấp xuất hiện với tải chiếu sáng, lúc đó điện áp tăng lên làm cho các máy biến áp phân phối sinh ra nhiều dòng hài hơn và có ít Tải để làm giảm cộng hưởng do các dòng hài này sinh ra, và khi đó việc đóng các tụđiện đúng vào thời điểm này thì sẽ thường xuyên gây ra sự cố.
3.3.2 Trên các thiết bị của người sử dụng
Khi có sự cố do sóng hài xuất hiện tại một thiết bị của hộ sử dụng điện khi
đó việc đầu tiên là xác định Tụ bù có cộng hưởng với các dòng hài hay không, nếu có thì thay đổi giá trị của Tụ bù công suất là cách đơn giản nhất. Với các bộ điều chỉnh hệ số công suất tựđộng, thì có thểđiều chỉnh cấu trúc sao cho tránh đi các sự
52
cố của hệ thống. Có quá nhiều Tụđiện đóng cắt tại một thời điểm ngẫu nhiên cùng với Tải thì không thể tránh được các điều kiện cộng hưởng lúc đó cần phải dùng các bộ lọc. Lắp các bộ lọc hài lên hệ thống hạ áp của hộ sử dụng điện thì thực tế và kinh tế hơn rất nhiều khi lắp đặt chúng lên hệ thống phân phối. Nếu thực hiện được điều này thì dễ đáp ứng được các tiêu chuẩn trong lắp đặt hơn, và các bộ lọc dành cho loại này sẵn có trên thị trường.
Nếu biên độ của dòng hài quá lớn, các hộ sử dụng điện công nghiệp cũng nên tìm các phương tiện để giảm sóng hài như:
+ Sử dụng các kiểu nối máy biến áp và các cuộn kháng tuyến tính.
+ Trong các toà nhà, để làm giảm các tác động của các dòng hài bội ba trên dây trung tính người ta sử dụng các bộ lọc hài.
+ Trong các hệ thống công nghiệp, khi lắp Tụ điện nên tiến hành các thử nghiệm trước. Tại các điểm có Tụ làm việc thường thì các yếu tố làm giảm cộng hưởng là không đủ, vì thế khi dao động xảy ra cùng lúc với một tần số hài nào đó thì kết quả là độ méo điện áp do chúng gây ra rất nguy hiểm và không thể lường trước
được hậu quả có thể xảy ra. Với các tụ điện được đặt ngoài khu vực có các động cơ hay trong các trung tâm điều khiển động cơ thì sóng hài thường gây ra ít nguy hiểm hơn.
3.4 CÁC THIẾT BỊĐIỀU CHỈNH HÀI
Có rất nhiều các thiết bị có sẵn trên thị trường đểđiều chỉnh sóng hài, chúng có thểđơn giản là nhóm tụ, cuộn kháng, hay phức tạp như là các bộ lọc tích cực. Có nhiều phương pháp đơn giản để làm giảm cộng hưởng ví dụ như thêm, thay đổi hay thay thế một dãy tụ nhánh để thay đổi một cách hiệu quả các đáp ứng tần số của hệ
thống và vì thế giữ cho độ méo điều hoà ở mức độ cho phép. Tương tự, một cuộn kháng cũng có thể cùng chức năng loại bỏ các cộng hưởng có hại ra khỏi hệ thống. Do tính chất đơn giản của các bộ lọc này trong điều chỉnh các điều hoà nên khi muốn loại bỏ các điều hoà thì trước tiên khảo sát các phương pháp đơn giản này thay vì đi tìm các thiết bị phức tạp, tốn kém hơn.
53
3.4.1 Các thành phần phản kháng hay cuộn kháng
Một phương pháp đơn giản nhưng rất hiệu quảđểđiều chỉnh méo hài sinh ra do các bộđiều chỉnh tốc độđộng cơ là sử dụng cuộn kháng có kích thước tương đối nhỏ lắp đặt tại phía đầu dây vào của bộ điều chỉnh. Điều chỉnh loại này đặc biệt có tác dụng đối với các bộ điều chỉnh bằng phương pháp PWM, cảm kháng làm chậm tốc độ khiến cho Tụở phía một chiều được nạp và buộc bộđiều chỉnh kéo dài dòng
điện trong một khoảng thời gian dài. Hệ quả là dòng điện sẽ có biên độ nhỏ hơn chứa các thành phần điều hoà ít hơn trong khi năng lượng phân phối vẫn không thay
đổi. Cuộn kháng đầu vào 3% có thể làm giảm méo hài do bộđiều chỉnh tốc độ bằng phương pháp PWM sinh ra xấp xỉ từ 80% xuống 40%. Đối với các ứng dụng của bộ điều chỉnh tốc độ ASD (Adjustable Speed Driver) thì bộ phản kháng này cũng có nhiều ưu điểm nữa [15]. Nhờ hiệu quả làm chậm tốc độ nạp của Tụđiện một chiều làm cho các bộ phản kháng này rất hiệu quả trong việc loại trừ các dao động phi tuyến tần số cao. Điều này giúp tránh đi các báo động sai trong các quá trình nạp năng lượng của Tụđiện trên hệ thống cung cấp điện.
3.4.2 Các bộ lọc cơ bản
Cấu tạo các bộ lọc thụđộng gồm có các thành phần điện kháng, dung kháng,
điện trở được cấu tạo theo một quy tắc nhất định để điều chỉnh dòng hài. Chúng
được sử dụng phổ biến và tương đối rẻ nếu so sánh cùng với các phương pháp khác cùng loại để lọc điều hoà. Tuy nhiên, chúng cũng có các khuyết điểm như có khả
năng tương tác với hệ thống và khi thiết kế phải xem xét đến khả năng tương tác này có xảy ra cộng hưởng với một điều hoà có mặt trong hệ thống hay không. Các bộ lọc được triển khai theo cả hai cách rẽ nhánh các dòng hài ra khỏi đường dây hay là ngăn cản dòng chảy của các dòng hài giữa các phần trong hệ thống bằng cách thay đổi các thành phần để tạo ra một sự cộng hưởng ở tần số lựa chọn.
3.4.2.1 Bộ lọc thụđộng kiểu rẽ nhánh:
Loại bộ lọc thụđộng phổ biến nhất hiện nay là bộ lọc điều chỉnh đơn, đây là loại kinh tế nhất và rất hiệu quả đối với các ứng dụng. Các bộ lọc này có tổng trở
54 hệ thống cung cấp, vì thế các dòng hài bị làm lệch hướng trên đường dây qua bộ
lọc. Loại bộ lọc này cũng có thể nâng cao hệ số công suất và do đó trong thực tế là các tụ bù công suất được tận dụng để tạo thành bộ lọc này.
Một khía cạnh quan trọng khác của bộ lọc loại này là nó tạo điểm cộng hưởng song song dốc tại tần số dưới tần số lọc hài cần chọn. Do đó các bộ lọc thường được điều chỉnh để có tần số lọc nhỏ hơn chút với tần sốđược lọc để đảm bảo biên độ an toàn trong trường hợp một vài các thông số hệ thống thay đổi dẫn
đến tăng tần số lọc. Nếu chúng được điều chỉnh đúng tần số cần lọc, khi dung kháng hay điện kháng của hệ thống thay đổi theo nhiệt độ có thể dẫn đến là cộng hưởng song song cao hơn bên trong sóng hài được lọc. Vì vậy khi lọc nhiều tần số hài để
tránh các sự cố với các dao động này, các bộ lọc được thêm vào hệ thống bắt đầu từ
các điều hoà nhỏ nhất tìm được trong hệ thống.
Các bộ lọc thụđộng nên luôn luôn đặt ở thanh dẫn nơi mà giá trị điện kháng ngắn mạch XSC giữ ở mức không đổi. Trong khi giá trị tần số lọc giữ không đổi thì giá trị cộng hưởng song song sẽ thay đổi theo giá trị theo trở kháng của hệ thống. Vì thế trước khi thiết kế các bộ lọc phải tính đến các dung lượng của dây dẫn, tính đến khả năng dẫn dòng
dựa trên tải sinh ra sóng hài. Tuy nhiên, chỉ với một lượng rất nhỏ méo điện áp cơ
bản trên thanh dẫn có dung lượng lớn có thể tác động rất lớn lên bộ lọc.
Đơn Thông cao bậc
1 Thông cao bậc 2 Thông cao bậc 3
55 Bộ lọc thụđộng nối tiếp:
Không giống như các bộ lọc ở trên nối kiểu rẽ nhánh đối với hệ thống, bộ lọc nối tiếp được nối nối tiếp trong hệ thống, cấu tạo chung gồm có điện kháng và điện dung được nối song song với nhau và được điều chỉnh để đưa ra tổng trở cao đối với một tần số hài được lựa chọn. Tổng trở cao sẽ ngăn dòng hài tại tần số được
điều chỉnh, ở tần số cơ bản thì bộ lọc được thiết kếđể cho phép có tổng trở thấp vì thế nó cho dòng cơ bản đi qua dễ dàng. Sẽ rất khó khăn nếu sử dụng bộ lọc nối tiếp trong việc lọc nhiều dòng hài do mỗi một dòng hài cần một bộ lọc điều chỉnh đúng với tần số hài cần lọc. Bên cạnh đó kết cấu này có thể tạo nên các tổn hao đáng kể
tại tần số cơ bản. Thêm nữa, do trong khi hoạt động, bộ lọc nối tiếp phải mang đầy tải và phải có cấu trúc bảo vệ quá dòng vì thế các bộ lọc này không được ứng dụng phổ biến như bộ lọc rẽ nhánh.
3.4.2.3 Các bộ lọc thông thấp
Hai bộ lọc trên có những nhược điểm giống nhau, ví dụ bộ lọc rẽ nhánh để
ngăn tần sốđiều hoà bậc 7 sẽ yêu cầu hai bộ lọc nhánh một bộ lọc điều hoà bậc7 và kèm theo một bộ lọc điều hoà bậc 5. Tương tựđối với các bộ lọc nối tiếp, mỗi một bộ lọc chỉ lọc được một tần số yêu cầu, vì thế nếu trong mạch cần lọc nhiều tần số
hài thì cũng đòi hỏi nhiều bộ lọc. Trong thực tế, ở hệ thống cung cấp, sóng hài không chỉ xuất hiện ở một tần số nào, mà nó trải rộng ở một dải các tần số khác nhau, ví dụ một bộ biến đổi 6 xung có thể phát sóng hài ở tần số bậc 5, 7, 11,