2.2.1 Đặc tính tổng trở của bộ lọc cộng hưởng đơn
Bộ lọc cộng hƣởng đơn gồm có một tụ điện và kháng điện đấu nối tiếp. Thông số của tụ và kháng đƣợc lựa chọn để bộ lọc sẽ có tổng trở thấp (tổng trở lý tƣởng bằng 0) tại tần số mong muốn (chính là tần số của sóng hài cần loại trừ).
Giá trị của bộ tụ C đƣợc lựa chọn để phần nào bù một phần công suất phản kháng của phụ tải để nâng cao hệ số công suất. Công suất phản kháng mà bộ tụ có thể phát ra đƣợc tính theo: tu2 boloc C V Q X
Trong đó: Vtu là điện áp pha đặt lên bộ tụ (kV); Q là công suất phản kháng phát ra (kVAR); XC là dung kháng của bộ tụ (Ω).
Khi đã biết lƣợng CSPK yêu cầu hoàn có thể tính ra giá trị XC tƣơng ứng và từ đó tính ra giá trị bộ tụ (Fara).
Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc có dạng nhƣ trong Hình 2.2.1Hình 2.2.1Hình 2.2.1Hình 2.2.1:
Hình 2.2.1 Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hưởng đơn
Tổng trở của bộ lọc sẽ có giá trị thấp nhất khi tổng trở của thành phần điện cảm bằng với tổng trở của thành phần điện dung (nhƣng ngƣợc dấu) XL=XC.
Từ quan hệ đó tính ra điện kháng cần thiết của bộ lọc: 1 2 2 ( ) L f C
Giá trị điện trở của bộ lọc đƣợc lựa chọn tùy theo hệ số chất lƣợng Q của bộ lọc. Hệ số chất lƣợng Q quyết định mức độ hẹp hay mở rộng của đặc tính tổng trở-tần số
của bộ lọc và băng thông của bộ lọc. Về mặt toán học Q đƣợc tính theo:
L C Q R . 220 230 240 250 260 270 280 290 300 0 5 10 15 20 25 Frequency Im p e d a n c e
2.2.2 Phân tích về hệ số chất lượng Q cho bộ lọc cộng hưởng đơn
Xét bộ lọc nhƣ Hình 2.2.2Hình 2.2.2Hình 2.2.2Hình 2.2.2
Hình 2.2.2 Bộ lọc cộng hưởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số
Tổng trở của bộ lọc tính theo: 1 ( ) boloc Z R j L C PT 2.2.1 Tại tần số cộng hƣởng: L 1 C khi đó Zboloc R
Hệ số chất lƣợng liên quan tới khả năng của bộ lọc để hấp thụ năng lƣợng tại tần số cộng hƣởng (3). Trong mạch RLC của bộ lọc cộng hƣởng đơn giá trị hệ số chất lƣợng đƣợc tính theo: Lh Ch L X X C Q R R R
Nhƣ thể hiện trong Hình 2.2.2Hình 2.2.2Hình 2.2.2Hình 2.2.2, băng thông của bộ lọc đƣợc xác định bởi các tần số mà tại đó điện kháng (dung kháng) của bộ lọc bằng với giá trị điện trở, tƣơng đƣơng với góc của tổng trở là 450
và độ lớn là 2R. Về mặt hình thức, giá trị Q quyết định mức độ hẹp hay mở rộng của đặc tính tổng trở (băng thông lớn hay nhỏ). Bộ lọc có giá trị Q lớn (50÷100) sẽ có tổng trở biến đổi nhanh khi tần số lệch khỏi tần số cộng hƣởng, và ngƣợc lại bộ lọc có hệ số Q thấp (0.5÷5.5) sẽ có tổng trở biến đổi ít trong một dải tần số lân cận tần số cộng hƣởng.
Căn cứ theo đặc tính của bộ lọc có thể thấy rằng, thành phần R (hay hệ số chất lƣợng) có ảnh hƣởng mạnh tới khả năng hấp thụ sóng hài của bộ lọc, và tổn thất công suất trong bộ lọc. Bộ lọc có hệ số Q lớn sẽ dễ hấp thụ lƣợng lớn sóng hài của hệ thống và nhƣ vậy hiệu quả lọc sóng hài sẽ là tốt nhất, tuy nhiên điều này có thể gây quá tải bộ lọc. Bộ lọc với hệ số Q nhỏ có thể xem xét sử dụng tại những địa điểm mà hàm lƣợng sóng hài nhỏ, chỉ vƣợt một phần mức qui định.
Hình 2.2.3Hình 2.2.3Hình 2.2.3Hình 2.2.3 minh họa đặc tính của bộ lọc sóng hài bậc 5 với hệ số Q thay đổi từ 5 tới 100.
Hình 2.2.3 Đặc tính tổng trở của bộ lọc với các hệ số chất lượng khác nhau
2.2.3 Phân tích về tần số cộng hưởng cho bộ lọc cộng hưởng đơn
a. Lý do không nên chọn tần số cộng hưởng bằng tần số sóng hài
Bộ lọc sóng hài thụ động đƣợc điều chỉnh để hút sóng hài tại tần số đã đƣợc tính toán, tần số của các sóng hài thƣờng là bội số nguyên của tần số cơ bản (50Hz) nhƣ 150Hz, 250Hz, 350Hz...Tuy nhiên tần số cộng hƣởng của bộ lọc thƣờng không đƣợc chọn bằng đúng tần số sóng hài do các lý do sau đây:
200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Q=5 Q=30 Q=100
Tổng trở quá thấp tại tần số sóng hài có thể làm cho tất cả dòng điện hài tại tần số đó chạy vào bộ lọc công suất bộ lọc cần chọn lớn hơn nhiều so với trƣờng hợp chỉ cần loại trừ vừa đủ lƣợng sóng hài theo yêu cầu. Chọn công suất lớn dẫn tới giá thành của bộ lọc sẽ cao.
Tƣơng tác giữa tổng trở bộ lọc và tổng trở hệ thống tạo thành một hệ thống có tần số cộng hƣởng thấp hơn một chút so với tần số sóng hài đang đƣợc lọc. Nếu bộ lọc đƣợc thiết kế cộng hƣởng chính xác tại tần số sóng hài thì do sai số của thông số của các bộ tụ, kháng có thể làm cho thay đổi tần số cộng hƣởng đã đƣợc thiết kế. Thay vì tạo ra một bộ lọc với tổng trở thấp thì tổ hợp của bộ lọc và hệ thống lại tạo ra một tần số cộng hƣởng chung (tần số cộng hƣởng song song) đúng tại tần số sóng hài. Nếu điều này xảy ra sẽ dẫn tới tăng mức độ méo sóng, có khả năng khuyếch đại biên độ dao động điện áp. Thêm vào đó các thay đổi của hệ thống cũng là một nguyên nhân gây ra tần số cộng hƣởng chung bằng tần số sóng hài.
Hình 2.2.4 Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến
Xét bộ lọc sóng hài đƣợc lắp đặt trong một hệ thống có điện cảm (điện kháng) trong là Ls. Tƣơng tác giữa các phần tử L, C của bộ lọc và Ls của nguồn sinh ra hiện tƣợng cộng hƣởng song song, sẽ tồn tại tần số tại đó tổng trở chung của toàn hệ thống và bộ lọc có giá trị rất lớn (3). Tần số cộng hƣởng song song này đƣợc tính theo:
1
2 ( )
cong huong song song
S f L L C
Formatted: Line spacing: 1.5 lines Formatted: Subscript
Formatted: Subscript
Field Code Changed Formatted: Font: 13 pt Field Code Changed
√
Hình 2.2.5 Các tần số cộng hưởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống
Nhƣ vậy chọn tần số cộng hƣởng thấp hơn tần số sóng hài có tác dụng dịch chuyển tần số cộng hƣởng song song ra xa ngoài tần số sóng hài, tránh cộng hƣởng gây quá điện áp.
b. Các yếu tố gây ra hiện tượng dịch chuyển tần số cộng hưởng
Cơ chế dẫn tới việc dịch chuyển tần số cộng hƣởng có thể giải thích nhƣ sau:
+ Xét tới hư hỏng của các phần tử tụ trong bộ lọc: các bộ tụ bù thƣờng đƣợc trang
bị cầu chì để bảo vệ trong trƣờng hợp phần tử tụ bị đánh thủng. Khi cầu chì hoạt động, phần tử tụ sẽ bị loại ra và làm giảm điện dung của bộ tụ, do vậy làm tăng tần số cộng hƣởng.
+ Sai số chế tạo: Quá trình sản xuất thiết bị bắt buộc phải có sai số đối với cả các
bộ tụ và kháng điện, ngoài ra điện dung của tụ thay đổi theo nhiệt độ, các phần tử đều già hóa theo thời gian. Khi bộ tụ bị già hóa, giảm điện dung sẽ làm dịch tần số cộng hƣởng sát tới tần số của sóng hài (điều này thực tế làm tăng hiệu quả hút sóng hài của bộ lọc). Tất cả các yếu tố này dẫn tới tần số cộng hƣởng không thể là một giá trị cố định nhƣ đã tính toán.
+ Biến đổi của hệ thống: Cấu hình, thông số của hệ thống thay đổi theo thời gian, không thể là yếu tố cố định.
+ Ví dụ khi một máy biến áp song song bị cắt ra sẽ dẫn tới nguồn trở thành yếu hơn, dẫn tới tần số cộng hƣởng song song có xu thế giảm xuống. + Trong quá trình bảo dƣỡng, thay thế thiết bị cũng làm yếu nguồn. + Các đƣờng dây có thể thay đổi cấu hình vận hành tùy theo mùa.
Thông thƣờng tần số cộng hƣởng của bộ lọc đƣợc chọn thấp hơn so với tần số sóng hài từ xấp xỉ 3% đến 15%.Việc lựa chọn này vẫn đảm bảo bộ lọc có đủ khả năng loại trừ sóng hài trong khi tránh đƣợc hiện tƣợng dịch chuyển tần số cộng hƣởng nhƣ đã trình bày.
2.3 Hƣớng nghiên cứu của luận văn
Các bộ lọc thụ động đƣợc sử dụng phổ biến trong công nghiệp do chi phí vận hành thấp và dễ dàng bảo dƣỡng, đồng thời cũng tăng cƣờng thêm khả năng bù công suất phản kháng cho các phụ tải. Mặt khác bộ lọc cộng hƣởng đơn là loại đƣợc sử dụng nhiều nhất do cấu trúc đơn giản, do đó luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu về phƣơng thức tính toán lựa chọn bộ lọc này.
Thông thƣờng sóng hài đo đƣợc tại một địa điểm thƣờng bao gồm nhiều sóng hài đơn nhƣ bậc 5, bậc 7, bậc 11…do đó nếu chỉ sử dụng một bộ lọc cộng hƣởng đơn thì hiệu quả lọc sẽ chỉ tốt nhất đối với một loại sóng hài, vì vậy thƣờng sử dụng kết hợp 2 hoặc 3 bộ lọc cộng hƣởng đơn.
Nội dung nghiên cứu chính của luận văn sẽ tập trung vào hai vấn đề:
+ Lựa chọn thông số tối ưu cho từng bộ lọc đơn lẻ trong một gồm nhiều nhóm
bộ lọcnhánh.
+ Lựa chọn vị trí đặt nhóm các bộ lọc sao cho chi phí tính toán nhỏ nhất: các
bộ lọc có thể được lựa chọn đặt tại đầu cực các phụ tải hoặc đặt tập trung trên thanh góp cấp tới nhóm phụ tải hoặc đặt tại phía cao áp của máy biến áp cấp nhóm phụ tải.
Kết quả nghiên cứu sẽ đƣợc áp dụng tính toán cho mô hình lƣới cung cấp điện của Công ty TNHH Stanley Việt Nam.
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THÔNG SỐ CHO CÁC BỘ LỌC CỘNG HƢỞNG ĐƠN VÀ VỊ TRÍ LẮP ĐẶT
3.1 Xây dựng vấn đề nghiên cứu
Tải phi tuyến trong lƣới điện là các nguồn phát sinh sóng hài, giải pháp đặt bộ lọc thụ động để lọc sóng hài cần thỏa mãn các yêu cầu tối thiểu sau:
+ Đảm bảo mức độ méo sóng dòng điện và điện áp tại các điểm đấu nối nằm trong giới hạn cho phép
+ Đảm bảo cung cấp đủ lƣợng công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất của phụ tải.
+ Có chi phí lắp đặt, vận hành nhỏ nhất để giảm bớt chi phí cho khách hàng.
a. Đảm bảo mức độ méo sóng tại các điểm đấu nối chung: mức độ méo sóng do
sóng hài sinh ra với các loại tải khác nhau đƣợc thể hiện chi tiết tại Phần 1.2
b. Đảm bảo cung cấp đủ lượng công suất suất phản kháng để nâng cao hệ số công
suất của phụ tải đáp ứng yêu cầu của phía điện lực.
Về cơ bản, bộ lọc gồm hai thành phần chính là các bộ tụ điện và kháng điện, khi đã lựa chọn đƣợc một giá trị của bộ tụ thì có thể tính đƣợc giá trị tƣơng ứng cho bộ kháng điện. Nhƣ vậy số lƣợng tổ hợp của giá trị bộ tụ và kháng điện là vô cùng. Tuy nhiên, trong thực tế có hai phƣơng pháp để xác định các giá trị bộ tụ và kháng điện này:
+ Thiết kế bộ lọc theo chi phí tính toán nhỏ nhất: chi phí bộ lọc gồm chi phí
cho các bộ tụ điện và kháng điện, chi phí cho tổn hao điện năng trên thành phần điện trở. Các chi phí cho tụ và kháng bao gồm hai phần: chi phí cố định và chi phí thay đổi theo công suất của tụ và kháng. Hàm chi phí tính toán sẽ đƣợc xác định là tổng chi phí cho các bộ tụ, bộ kháng, chi phí cho tổn thất điện năng xét trong khoảng thời gian vòng đời của bộ loc. Hàm chi phí tính toán này phụ thuộc vào công suất của bộ tụ và
Formatted: Indent: Left: 0", Hanging: 0.25",
kháng tƣơng ứng. Sử dụng các thuật toán tối ƣu sẽ cho phép xác định chi phí tính toán nhỏ nhất cho bộ lọc.
Phƣơng pháp này có thể sử dụng khi không xét đến ràng buộc phải bù công suất phản kháng cho phụ tải.
+ Thiết kế bộ lọc theo yêu cầu bù công suất phản kháng của phụ tải: giá trị
của bộ tụ và bộ kháng sẽ đƣợc xác định dựa theo yêu cầu về dung lƣợng công suất phản kháng cần bù bắt buộc của phụ tải. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc sử dụng vì mang ý nghĩa thực tế cao.
Trong luận văn này sẽ lựa chọn phƣơng pháp tính toán thông số bộ lọc theo điều kiện đảm bảo cả yêu cầu bù công suất phản kháng của phụ tải.
c. Có chi phí cho các bộ lọc nhỏ nhất để giảm chi phí cho khách hàng:
Trong phần tính toán đảm bảo chi phí nhỏ nhất cho các bộ lọc có thể tách ra hai vấn đề chính ảnh hƣởng đến tính kinh tế:
+ Vấn đề phân bố công suất phản kháng giữa các nhánh bộ lọc đảm bảo chi phí tổng của bộ lọc nhỏ nhất.
Khi thiết kế bộ lọc thụ động thƣờng xem xét tính toán bù với một thành phần hài lớn nhất trƣớc, khi đó chỉ cần dùng một nhánh bộ lọc (Hình 3.1.1Hình 3.1.1Hình 3.1.1Hình 3.1.1). Tuy nhiên nếu một nhánh bộ lọc này không đảm bảo giới hạn đƣợc mức độ méo sóng hài thì phải xem xét đặt thêm nhánh bộ lọc để loại trừ tiếp sóng hài có biên độ lớn còn lại. Khi đó bộ lọc trở thành một nhóm các bộ lọc đơn (Hình 3.1.1Hình 3.1.1Hình 3.1.1Hình 3.1.1) Hình 3.1.1 Mô tả nhánh & nhóm bộ lọc 5th 7th Nhóm bộ lọc 5th 11th Một nhánh bộ lọc
Formatted: Font: Times New Roman Formatted: Font: Times New Roman Formatted: Font: Times New Roman
Formatted: Font: Times New Roman Formatted: Font: Times New Roman Formatted: Font: Times New Roman
Tải phi tuyến Tải tuyến tính 5th 7th Bộ lọc Qyêu cầu Q5=?
Hình 3.1.2 Minh họa phân bổ công suất phản kháng cho các nhánh bộ lọc Tải phi tuyến Tải tuyến tính 5th 7th Bộ lọc Qyêu cầu Q5=? Q7=?
Field Code Changed
Formatted: Font: (Default) Times New Roman,
Lƣợng CSPK tổng yêu cầu của phụ tải có thể đƣợc chia theo cách đơn giản nhất là chia đều cho các bộ lọc. Giải pháp này đơn giản, tuy nhiên có thể không đảm bảo tối ƣu về kinh phí. Do đó cần tìm phƣơng pháp phân bổ tối ƣu lƣợng CKPS này cho các bộ lọc.
Nguồn cấp Tải phi tuyến Tải tuyến tính Tải tuyến tính Tải phi tuyến 23kV 0.4kV 0.4kV 5th 7th 5th 7th 1 1 5th 7th 2
Điểm đấu nối với điện lực
Hình 3.1.3 Vị trí có thể đặt các bộ lọc Nguồn cấp Tải phi tuyến Tải tuyến tính Tải tuyến tính Tải phi tuyến 23kV 0.4kV 0.4kV 5th 7th 5th 7th 1 1 5th 7th 2
Điểm đấu nối với điện lực
Formatted: Font: (Default) Times New Roman,
13 pt
Xét ví dụ nhƣ trong Hình 3.1.3Hình 3.1.3Hình 3.1.3Hình 3.1.3với cấu trúc của lƣới cung cấp điện nhƣ vậy có thể thấy có các vị trí đặt các bộ lọc là:
• Đăt các bộ lọc phân tán, công suất nhỏ tại chỗ các tải phi tuyến (các vị trí số 1)
• Đặt một bộ lọc tập trung tại điểm đấu nối với điện lực (vị trí 2).
Giả thiết về mặt kỹ thuật các phƣơng án đặt bộ lọc này đều đảm báo giới hạn mức độ méo sóng hài tại điểm đấu nối, tuy nhiên nếu so sánh về chi phí cho các lựa chọn vị trí đặt bộ lọc này có thể thấy sơ bộ nhƣ sau:
: Hạng mục so sánh Bộ lọc đặt phân tán tại các vị trí 1 Bộ lọc đặt tập trung tại vị trí 2 Chi phí cho từng phần tử bộ lọc Chi phí thấp hơn do sử dụng các phần tử điện áp thấp (hạ áp)
Chi phí cao hơn do sử dụng các phần tử điện áp cao
Chi phí do tổn