1. 5 Giới thiệu yêu cầu bài toán
2.2. Phân tích sóng hài
Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tích Fourier. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có chu kỳ không sin thì tương đương và có thể được thay thế bởi tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin, chúng bao gồm:
- Một sóng hình sin với tần số cơ bản.
- Một số các sóng hình sin khác với tần số cao hơn, là bội của tần số cơ bản. - Dạng sóng méo ở hình 2.3 được phân tích thành một thành phần sóng cơ bản và một thành phần sóng hài bậc ba. Tổng giá trị hiệu dụng của
Hình 2.3 Dạng sóng và thành phần cơ bản
Dòng điện méo này được tính bằng căn bậc hai của tổng các bình phương của dòng cơ bản và dòng hài.
Khi phân tích sóng hài thường sử dụng một số chỉ tiêu sau để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng hài lên hệ thống điện
Độ méo điều hòa tổng THD (Total Harmonic Distortion)
Độ méo điều hòa tổng THD được xác định theo công thức:
Trong đó:
Mh: là biên độ của thành phần điều hòa bậc h. M1: là biên độ của thành phần cơ bản.
Độ méo điều hòa tổng THD của sóng hài có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng điện và điện áp.
THDv đặc trưng cho sự méo dạng điện áp.
- THDv <5%: mạng điện ở trạng thái bình thường, không có nguy cơ hư hỏng.
- 5% ≤ THDv ≤ 8%: mạng điện nhiễm hài đáng kể, một số hư hỏng có thể xảy ra.
- THDv >8%: mạng điện nhiễm hài cao, hư hỏng rất dễ xảy ra. Yêu cầu phải phân tích sâu hơn và lắp đặt mới các thiết bị đã xuống cấp.
Bảng 2.1. Giới hạn độ méo sóng hài điện áp Cấp điện áp Tổng độ méo sóng hài Độ méo riêng lẻ
500kV, 0kV 3%
110kV 3,0% 1,5%
THDi <10%: mạng điện ở trạng thái bình thường, không có nguy cơ hư hỏng.
- 10% ≤THDi ≤ 50%: mạng điện nhiễm hài đáng kể với nguy cơ gia tăng nhiệt độ và dẫn đến kết quả cần phải gia tăng kích thước các loại dây cáp và nguồn.
- THDi ≥ 50%: mạng điện nhiễm hài cao, hư hỏng rất dễ xảy ra. Yêu cầu phải phân tích sâu hơn và lắp đặt mới các thiết bị đã xuống cấp.
Độ méo điều hòa tổng THD đặc trưng cho tỷ lệ phát nóng phụ (tăng tổn thất) của dây dẫn khi đặt một điện áp không sin lên đường dây.
2.3 Tiêu chuẩn quy đĩnh ngưỡng sóng hài
Theo tiêu chuẩn EN 50610, tỷ lệ của các thành phần sóng hài bậc cao so với sóng hài bậc cơ bản (tính theo %) được quy định ở bảng 2.2 [5]
Bảng 2.2 Tiêu chuẩn quy định ngưỡng sóng hài Các hài bậc lẻ
Các hài bậc chẵn Không chia hết cho 3 Chia hết cho 3
Bậc hài h HA TA CA Bậc hài h HA TA CA Bậc hài h HA TA CA 5 6 6 2 3 5 2,5 1,5 2 2 1,5 1,5 7 5 5 2 9 1,5 1,5 1 4 1 1 1 11 3,5 3,5 1.5 15 0,3 0,3 0.3 6 0,5 0,5 0.5 13 3 3 1.5 21 0,2 0,2 0.2 8 0,5 0,2 0,2 17 2 2 1 > 21 0,2 0,2 0.2 10 0,5 0,2 0,2 19 1,5 1,5 1 12 0,2 0,2 0,2 23 1,5 1 0.7 > 12 0,2 0,2 0,2 25 1,5 1 0.7
>25 0,2 +25/h 0,2 +25/h 0,1 +25/h
2.4 Tác hại của sóng hài
Các sóng hài ảnh hưởng đến tất cả các thiết bị điện trong hệ thống điện, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào mức độ nhạy cảm với sóng hài của từng thiết bị. Các ảnh hưởng của sóng hài điện áp và dòng điện lên hệ thống có thể là:
- Gây ra hoặc tăng nguy cơ cộng hưởng cục bộ do việc sóng hài tăng cao. - Giảm hiệu suất hệ thống nguồn phát, truyền tải và sử dụng điện năng. - Gây già hóa tăng cường đối với các thiết bị điện, gây giảm tuổi thọ thiết bị.
- Gây tác động nhầm cho các hệ thống bảo vệ và các phần tử khác. Ảnh hưởng của sóng hài được phân tích cụ thể như sau:
2.4.1 Gây cộng hưởng
Các nguồn gây sóng hài có thể được coi như các nguồn dòng sóng bậc cao. Việc cộng hưởng có thể xảy ra khi một tụ điện được đấu song song với một nguồn dòng sóng hài bậc cao. Khi đó, điện áp sóng hài cộng hưởng sẽ tăng cao và dòng điện sóng hài sẽ tăng theo.
Sóng hài lan truyền trên hệ thống cũng có thể gây cộng hưởng nối tiếp với các phần tử hệ thống điện.
Khi xảy ra cộng hưởng nối tiếp, mặc dù điện áp hài có thể nhỏ nhưng vẫn dẫn đến dòng điện chảy vào tụ rất lớn. Đây là trường hợp phổ biến thường gặp trong thực tế.
Việc cộng hưởng gây khó khăn cho việc thiết kế các hệ thống bù hệ số công suất và làm hệ thống bù thường xuyên quá tải. Hiện tượng này trong thực tế xảy ra rất nhiều và làm cho tụ bị phồng rộp trước khi đến tuổi thọ định mức.
Việc cộng hưởng cục bộ còn gây cho hệ thống truyền thông tin trên đường dây bị hỏng. Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện thường dùng một cấu trúc LC cộng hưởng ở một tần số nào đó cao hơn so với tần số lưới điện để lọc thông tin. Sự tồn tại của sóng hài trên đường dây sẽ làm cho hệ thống truyền thông tin cộng hưởng với tần số của sóng hài. Điều này làm phá hủy hệ thống thông tin hoặc làm giảm hiệu quả truyền tin.
2.4.2 Tăng tổn thất trên động cơ
Khi điện áp không thuần sin được đặt trên động cơ sẽ làm gia tăng phát nóng phụ trên động cơ. Trong đa số các trường hợp, nếu mức độ méo nằm trong mức dưới 5% thì mức độ phát nóng phụ trên động cơ sẽ nằm ở mức chấp nhận được. Vượt qua giới hạn trên, nhiệt độ trên động cơ sẽ gia tăng đáng kể so với chế độ nhiệt định mức.
Méo điện áp và méo dòng điện dẫn đến gia tăng tổn thất trên dây quấn stato, dây quấn rôto và trên mạch từ của cả hai bộ phận này. Nguyên nhân là vì thành phần dòng điện Fuco và hiệu ứng bề mặt sẽ đóng góp nhiều vào các thành phần tổn hao khi dòng điện hoặc điện áp chứa thành phần sóng hài bậc cao.
Từ thông rò gây ra bởi dòng điện sóng hài cũng khiến cho tổn hao tăng lên.
Đối với các loại máy điện quay, rôto kiểu lồng sóc sẽ cho phép chịu quá nhiệt do sóng hài tốt hơn so với rôto dây quấn. Lý do là vì cấu trúc của rôto lồng sóc cho phép phân bố không gian sóng hài cũng như phân bố nhiệt tốt hơn so với rôto dây quấn có cùng công suất.
2.4.3 Tăng mômen bậc cao gây rung trên máy điện quay
Dòng điện bậc cao xuất hiện trong stato máy điện quay sẽ sinh ra một từ trường quay tương ứng với nó. Từ trường bậc cao này sinh ra mômen bậc cao quay cùng chiều hoặc ngược chiều với chiều quay của rôto theo chiều quay
của từ trường quay ở sóng cơ bản. Mỗi dòng điện hài bậc cao sẽ sinh ra một mômen bậc cao. Tùy thuộc vào thứ tự của sóng bậc cao mà mômen bậc cao này lại gây ra mômen rung bậc cao.
2.4.4 Tăng tổn thất và giảm tuổi thọ máy biến áp
Sự tồn tại của điện áp bậc cao làm gia tăng tổn hao dòng xoáy và tổn hao từ trễ trong lõi thép và gây hỏng cách điện. Sự gia tăng tổn thất này phụ thuộc vào tỷ lệ của thành phần sóng hài trong điện áp và cấu trúc chế tạo của máy biến áp.
Hiệu ứng chính của dòng điệc bậc cao đối với máy biến áp là gia tăng nhiệt lượng sinh ra do tổn thất phụ. Đồng thời nó có thể gây cộng hưởng giữa điện cảm của máy biến áp với điện dung của hệ thống, gây rung động cơ khí trên cuộn dây và lõi thép. Đối với máy biến áp chỉnh lưu, dòng điện bậc cao sẽ làm xuất hiện các điểm nóng cục bộ rất lớn.
Các máy biến áp có tổ đấu dây tam giác mặc dù hạn chế được sự lan truyền của dòng sóng hài bội ba thứ tự không trên đường dây, nhưng chính những máy biến áp này lại là đối tượng chịu ảnh hưởng phát nhiệt tăng cường bởi những dòng điện bội ba đó. Bởi vậy, những máy biến áp cấp điện cho các phụ tải phát sinh nhiều sóng hài cần phải được điều chỉnh công suất cho phù hợp điều kiện phát nhiệt.
2.4.5 Tăng tổn thất trên tụ bù
Cộng hưởng nối tiếp và song song có thể xảy ra giữa hệ thống tụ bù với phần còn lại của hệ thống. Cộng hưởng này gây nên phát nóng tăng cường trên hệ thống tụ bù. Do đó, khi tính toán tụ bù thì ngoài việc tính toán giá trị hệ số công suất cần đạt còn cần phải tính đến các khả năng gây cộng hưởng trong hệ thống.
2.5 Các phương pháp hạn chế sóng hài
trong nghịch lưu nối lưới [7]–[9] bằng cách điều khiển các chuyển mạch bán dẫn công suất đóng/ngắt để có được dòng điện mong muốn bơm vào lưới. Sóng hài dòng điện của nghịch lưu gây ra có phổ chủ yếu bởi tần số chuyển mạch và bội số của tần số này (sidebands). Việc tăng điện cảm bộ lọc ngõ ra của nghịch lưu nối lưới cũng có thể làm giảm sóng hài dòng điện. Nhưng điều này làm tăng kích thước bộ lọc và chi phí của bộ nghịch lưu. Hơn nữa, không thể tăng điện cảm bộ lọc quá lớn vì bị giới hạn bởi các tiêu chuẩn về ổn định động và tiêu chuẩn về cô lập và tái kết nối lưới khi có sự cố xảy ra trên hệ thống điện. Tăng tần số chuyển mạch cũng là một trong những phương pháp thường dùng trong SPWM để giảm sóng hài dòng điện. Nhưng điều này làm tăng tổn hao chuyển mạch, bởi vì tổn hao chuyển mạch tỉ lệ thuận với tần số chuyển mạch, nên dẫn đến làm giảm hiệu suất của thiết bị. Ngoài ra, việc tăng nhiệt sẽ làm giảm tuổi thọ của linh kiện công suất, khi đó cũng đòi hỏi tản nhiệt làm mát nhiều hơn.
Sau đây là các kỹ thuật điều chế tiêu biểu sử dụng tần số chuyển mạch thay đổi được công bố gần đây:
Trong kỹ thuật SPWM thông thường với tần số chuyển mạch cố định bằng hằng số, khi tần số chuyển mạch càng cao thì tổn hao chuyển mạch càng nhiều và sóng hài dòng điện càng thấp, và ngược lại. Do đó, việc lựa chọn tần số chuyển mạch tối ưu để phối hợp hài hòa giữa tổn hao chuyển mạch và sóng hài dòng điện là một vấn đề thật sự khó khăn và có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực chất lượng điện năng. Tần số chuyển mạch cần được chọn sao cho giảm sóng hài để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới, mà không làm tăng tổn hao chuyển mạch là một bài toán thực sự cần thiết hiện nay.
2.5.1 Kỹ thuật dựa vào yêu cầu về độ méo toàn phần
Bảng 2.3: So sánh TDD và hiệu suất của các kỹ thuật điều khiển khác nhau của [5] Variable Frequency Modified SVPWM SPWM Frequency range (kHz) 2.86-3.42 10 15 Max . Efficiency(%) 98.17 96.01 94.35 Euro. Efficiency(%) 95.21 93.59 91.30 TDD(%) <4.3 <1.8 <4.5
Công bố này cho rằng khi công suất năng lượng ngõ vào suy giảm làm cho sóng hài dòng điện tăng lên và có khả năng vượt quá giới hạn cho phép. Khi đó, kỹ thuật này đề nghị tăng tần số chuyển mạch để giảm sóng hài dòng điện sao cho nằm trong giới hạn cho phép, nhưng điều này cũng làm tăng tổn hao chuyển mạch. Do đó, tần số chuyển mạch cần phải xác định để sao cho tổn hao chuyển mạch là ít nhất mà sóng hài dòng điện vẫn vừa thấp hơn 5% của tiêu chuẩn (và ngược lại). Tần số chuyển mạch đó gọi là tần số chuyển mạch tối ưu được dựa vào mô hình tính TDD.
Thêm vào đó, tần số chuyển mạch trong mỗi chu kỳ cơ bản vẫn là cố định. Nó chỉ thay đổi theo mức tải nhằm giảm tổn hao chuyển mạch để nâng cao hiệu suất với mức sóng hài dòng điện cao lân cận dưới giới hạn tiêu chuẩn5%.
Kỹ thuật này cũng đòi hỏi mô hình chính xác các thông số liên quan của nghịch lưu để ước lượng tần số chuyển mạch tối ưu khi dòng tải thay đổi nên phức tạp và không bền vững.
Để tính tổn hao chuyển mạch cần phải biết chính xác thông số đặc tính linh kiện IGBT như các hệ số năng lượng đóng ngắt…điều này gây khó khăn cho tính toán tổn hao chuyển mạch nên khó có thể đánh giá kết quả thu được
là tối ưu.
Vẫn còn hài riêng lẻ cao đáng kể tại dải biên (sideband) vì không thể thực hiện khử hài lựa chọn SHE (Selective Harmonic Elimination) và trải phổ..
2.5.2 Kỹ thuật thay đổi sóng mang và sóng điều chế
Phương pháp dựa vào độ dốc của song điều chế so với song mang nên gặp khó khăn khi thực hiện tần số chuyển mạch cao, do độ dốc không còn nữa.
Không thực hiện tính toán tổn hao chuyển mạch nên không thể đánh giá hiệu quả.
Chưa nghiên cứu cho nghịch lưu nối lưới
2.5.3 Phương pháp trải phổ nhiễu âm
Phương pháp này cũng chưa khảo sát định lượng tổn hao chuyển mạch và xem xét cho nghịch lưu nối lưới.
Phương pháp điều chế vector không gian bão hòa được sử dụng để cải thiện sóng hài và tổn hao chuyển mạch. Phương pháp này sẽ hoạt động giống như SVPWM thông thường khi sai số dòng điện nhỏ hơn một giá trị ngưỡng đặt trước. Nếu sai số dòng điện đo được vượt quá ngưỡng đặt trước thì sẽ được chuyển sang chế độ điều khiển bão hòa để giảm nhanh độ nhấp nhô dòng điện. Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào cảm biến dòng điện và sai số dòng điện làm cho nó dễ mất ổn định nên không bền vững.
2.5.4 Phương pháp độ nhấp nhô hằng số
Phương pháp độ nhấp nhô hằng số CR đã được đề cập còn được gọi là phương pháp điều khiển dòng bão hòa (hysteresis current control)
Hình 2.4 Dạng sóng dòng điện và điện áp
Tuy nhiên, phương pháp này trở nên phức tạp khi tải thay đổi bởi vì độ rộng xung điều chế phụ thuộc vào tham số tải, điện áp DC và độ dốc của dòng điện. Mặt khác, tổn hao chuyển mạch chưa được xem xét một cách định lượng.
2.5.5 Kỹ thuật thay đổi tần số chuyển mạch tối ưu
Kỹ thuật đề nghị trong [9] dùng phương pháp nhân tử Lagrange để cực tiểu tổn hao chuyển mạch với tần số chuyển mạch thay đổi, không phải cực
tiểu song hài. Phương pháp này đòi hỏi mô hình toán chính xác cao của độ
nhấp nhô dòng điện với nhiều tham số liên quan của nghịch lưu làm cho việc tính toán phức tạp. Do đó, đòi hỏi phần cứng mạnh mẽ và đắt tiền. Tần số chuyển mạch tại lân cận zero của dòng điện thấp đáng kể nên làm cho độ nhấp nhô dòng điện tăng cao. Điều này gây bất lợi cho các thiết bị dò điểm zero để đồng bộ góc kích, vòng khóa pha…
Để tăng cao tần số chuyển mạch tại lân cận zero cần phải nâng cao dãy tần số chuyển mạch. Do đó, dãy tần số chuyển mạch thay đổi hiệu quả của nghịch lưu rất cao, từ 16 kHz đến 90 kHz. Dãy tần số này thật sự không phù hợp với các linh kiện bán dẫn công suất trong nghịch lưu nối lưới thực tế.
Thêm vào đó, kỹ thuật này không thể thực hiện khử hài lựa chọn cũng như chưa nghiên cứu thực hiện cho nghịch lưu nối lưới.
Ngoài ra, tổn hao chuyển mạch trong thực tế chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ so với tổng tổn hao. Do đó, trong nghịch lưu nối lưới, mục tiêu giảm song hài sẽ có ý nghĩa nhiều hơn so với mục tiêu giảm tổn hao chuyển mạch.
2.5.6 Nghịch lưu đa bậc
Các nghịch lưu đa bậc [2], cũng đã được sử dụng để giảm sóng hài dòng điện rất hiệu quả. Tuy nhiên, chúng lại đòi hỏi nhiều linh kiện chuyển mạch hơn, nhiều nguồn DC hơn, điều khiển phức tạp hơn, phải giải quyết vấn đề