Luận Văn Thạc Sĩ Về Lựa Chọn Thông Số và Vị Trí Đặt Các Bộ Lọc Sóng Hài Thụ Động

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu lựa chọn thông số và vị trí đặt các bộ lọc sóng hài thụ động, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Lựa Chọn Thông Số và Vị Trí Đặt Bộ Lọc Sóng Hài Thụ Động
• Loại tài liệu: luận văn

Tóm tắt

I. Giới thiệu về sóng hài trong hệ thống điện

Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn xuất hiện trong hệ thống điện, gây ra bởi các tải phi tuyến. Chúng có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị và gây ra nhiều vấn đề khác nhau. Để đánh giá mức độ sóng hài, các chỉ số như tổng méo sóng hài (THD) được sử dụng. THD là tỷ lệ giữa giá trị hiệu dụng của sóng hài và giá trị hiệu dụng của sóng cơ bản. Việc kiểm soát sóng hài là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện.

1.1 Khái niệm về sóng hài

Sóng hài được định nghĩa là các thành phần sóng có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản. Chúng thường xuất hiện do các thiết bị điện tử công suất và tải phi tuyến. Phân tích Fourier là công cụ chính để phân tích sóng hài, giúp xác định các thành phần sóng và mức độ méo của chúng.

1.2 Các chỉ số đánh giá sóng hài

Các chỉ số như THD và TDD được sử dụng để đánh giá mức độ méo sóng hài trong hệ thống điện. THD cho biết tỷ lệ méo sóng hài so với sóng cơ bản, trong khi TDD đánh giá tổng méo sóng hài. Các tiêu chuẩn quy định mức độ méo sóng hài cho phép nhằm bảo vệ thiết bị và đảm bảo chất lượng điện năng.

1.3 Nguồn phát sinh sóng hài

Sóng hài có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm máy biến áp, động cơ, thiết bị điện tử công suất và lò hồ quang. Mỗi nguồn phát sinh sóng hài có đặc điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng trong hệ thống. Việc nhận diện và kiểm soát các nguồn này là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực của sóng hài.

II. Giới thiệu về bộ lọc sóng hài thụ động

Bộ lọc sóng hài thụ động là giải pháp hiệu quả để loại bỏ sóng hài trong hệ thống điện. Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý cộng hưởng, giúp giảm thiểu các thành phần sóng hài không mong muốn. Việc thiết kế bộ lọc cần xem xét các thông số kỹ thuật như tần số cộng hưởng và hệ số chất lượng Q. Bộ lọc thụ động có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp và dễ bảo trì.

2.1 Tổng quan về bộ lọc sóng hài thụ động

Bộ lọc sóng hài thụ động được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện để cải thiện chất lượng điện năng. Chúng có khả năng loại bỏ các thành phần sóng hài bằng cách tạo ra các sóng đối kháng. Việc lựa chọn thiết kế bộ lọc phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu.

2.2 Phân tích về bộ lọc cộng hưởng đơn

Bộ lọc cộng hưởng đơn là một trong những loại bộ lọc thụ động phổ biến. Nó có thể được thiết kế để hoạt động tại một tần số cụ thể, giúp loại bỏ sóng hài tại tần số đó. Phân tích các đặc tính tổng trở và hệ số chất lượng Q là cần thiết để đảm bảo bộ lọc hoạt động hiệu quả.

III. Nghiên cứu tính toán lựa chọn thông số cho các bộ lọc cộng hưởng đơn và vị trí lắp đặt

Nghiên cứu này tập trung vào việc lựa chọn thông số cho bộ lọc cộng hưởng đơn và xác định vị trí lắp đặt tối ưu. Qui trình thiết kế bộ lọc cần phải tuân thủ các ràng buộc về công suất phản kháng và chi phí. Việc tối ưu hóa vị trí lắp đặt bộ lọc cũng rất quan trọng để đạt được hiệu quả cao nhất trong việc giảm sóng hài.

3.1 Xây dựng vấn đề nghiên cứu

Vấn đề nghiên cứu được xác định dựa trên nhu cầu cải thiện chất lượng điện năng trong hệ thống. Các yếu tố như chi phí, hiệu suất và tính khả thi của bộ lọc sẽ được xem xét. Mục tiêu là phát triển một phương pháp thiết kế bộ lọc hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

3.2 Qui trình thiết kế bộ lọc

Qui trình thiết kế bộ lọc bao gồm các bước như xác định thông số kỹ thuật, tính toán các thành phần và kiểm tra hiệu suất. Các ràng buộc về công suất phản kháng và chi phí cũng cần được xem xét để đảm bảo bộ lọc hoạt động hiệu quả trong thực tế.

IV. Tính toán kiểm nghiệm và kết luận

Phần này trình bày kết quả tính toán và kiểm nghiệm dựa trên mô hình lưới điện phân phối. Sử dụng phần mềm PSCAD và Matlab để mô phỏng và phân tích hiệu suất của bộ lọc. Kết quả cho thấy bộ lọc thụ động có khả năng giảm sóng hài hiệu quả, từ đó cải thiện chất lượng điện năng trong hệ thống.

4.1 Giới thiệu phần mềm PSCAD

PSCAD là phần mềm mô phỏng mạnh mẽ được sử dụng để phân tích các hệ thống điện. Nó cho phép người dùng mô phỏng các hiện tượng điện và kiểm tra hiệu suất của các thiết bị trong hệ thống. Việc sử dụng PSCAD giúp nâng cao độ chính xác trong tính toán và phân tích.

4.2 Kết quả tính toán

Kết quả tính toán cho thấy bộ lọc thụ động có thể giảm đáng kể mức độ sóng hài trong hệ thống điện. Các thông số thiết kế được tối ưu hóa giúp bộ lọc hoạt động hiệu quả hơn. Điều này chứng tỏ tính khả thi của việc áp dụng bộ lọc thụ động trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề nghiên cứu chuyên sâu của luận văn  Chương 3: Xây dựng qui trình tính toán thiết kế, kiểm tra các thông số của một bộ lọc thụ động. Xây dựng các ràng buộc khi sử dụng nhiều bộ lọc thụ động cùng nhau và có nhiều vị trí có thể lựa chọn để đặt các bộ lọc này. 4 Luan van  Chương 4: Áp dụng tính toán với mô hình lƣới điện phân phối của nhà máy II Công ty TNHH Stanley Việt Nam và đánh giá các kết quả đạt đƣợc.  Chương 5: Kết luận và đề xuất các hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.

5 Luan van DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tiêu chuẩn điện áp theo Thông tƣ 12 và 32 .2 Giới hạn tổng độ méo nhu cầu dòng điện của hệ thống điện phân phối có điện áp từ 120V đến 69kV .3 Tổng méo dạng nhu cầu dòng điện của hệ thống điện truyền tải 69kV đến 161kV .4 Tổng méo dạng nhu cầu dòng điện của hệ thống điện truyền tải và nguồn phân tán .1 Dạng sóng dòng điện, phổ tần và tổng độ méo sóng hài của một số tải phi tuyến khác .1 Dòng điện cơ bản và dòng điện hài tại các vị trí đặt bộ lọc (tính theo Ampe)………………………………………………………………………………57 Bảng 4.2 CSPK yêu cầu tại các vị trí lắp đặt bộ lọc………………………….578 6 Luan van DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng .2 Sóng méo dạng và phân tích Furier tƣơng ứng .1 Sóng hài sinh ra do hiện tƣợng bão hòa mạch từ máy biến áp .2 Dạng sóng và phổ dòng pha A khi máy biến áp hoạt động trong điều kiện quá áp 10% điện áp định mức .3 Dòng điện của máy lạnh với THD=6,3% .4 Dòng điện của điều hòa với THD=10,5%.5 Dạng sóng điện áp & dòng pha A của bộ chỉnh lƣu .6 Nguồn chuyển mạch một pha và dạng sóng dòng điện .7 Sóng dòng điện và phổ tần của đèn huỳnh quang .1 Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến .2 Mô hình hệ thống điện có tải phi tuyến .3 Sơ đồ tƣơng đƣơng của mô hình hệ thống có tải phi tuyến .4 Đặc tính tổng trở và độ rộng băng thông của bộ lọc cộng hƣởng đơn.1 Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hƣởng đơn .2 Bộ lọc cộng hƣởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số .3 Đặc tính tổng trở của bộ lọc với các hệ số chất lƣợng khác nhau .4 Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến .5 Các tần số cộng hƣởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống .1 Mô tả nhánh & nhóm bộ lọc .2 Minh họa phân bổ công suất phản kháng cho các nhánh bộ lọc .3 Vị trí có thể đặt các bộ lọc .4 Vấn đề nghiên cứu của luận văn .1 Sơ đồ khối quá trình tính toán bộ lọc cộng hƣởng đơn.1 Các vị trí lắp đặt các bộ lọc sóng hài .1 Giao diện làm việc của PSCAD……………………………………….2 Thƣ viện các linh kiện của PSCAD……………………………………54 7 Luan van Hình 4.3 Sơ đồ một sợi lƣới điện của nhà máy II công ty TNHH Điện Stanley Việt Nam…………………………………………………………….4 Sơ đồ lƣới điện nhà máy II công ty TNHH Điện Stanley Việt Nam mô phỏng trên phần mềm PSCAD………………………………………………….1 Giao diện chính của MATLAB………………………………….2 Giao diện chính của cửa sổ soạn th ảo các lệnh……………………….3 Sơ đồ một sợi lƣới điện sau khi lắp đặt bộ lọc tại vị trí thứ cấp máy biến Formatted: Font: Not Bold Formatted: Left áp………………………………………………………………….………………68 Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic 8 Luan van CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Khái niệm về sóng hài Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn xuất hiện dƣới dạng các dòng điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thƣờng đƣợc gọi là tần số sóng cơ bản). Các dòng điện, điện áp bị méo có thể đƣợc phân tích thành tổng của sóng có tần số cơ bản và các thành phần sóng hài. Các thành phần sóng hài này do các tải phi tuyến sinh ra. Công cụ toán học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tích Fourier.

Phƣơng pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng không sin, có chu kỳ thì có thể phân tích đƣợc thành tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin, bao gồm:  Sóng hình sin với tần số cơ bản  Các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, là bội của tần số cơ bản.1 Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng Trong trƣờng hợp lý tƣởng, tất cả những sóng điện áp và dòng điện trong hệ thống điện có dạng hình sin với tần số là tần số cơ bản.Tuy nhiên, điện áp và dòng điện thực tế trong hệ thống điện không thuần túy hình sin. Khi đó, sóng điện áp và dòng điện là tổng của sóng điều hòa cơ bản và các sóng điều hòa có bậc là bội số của sóng cơ bản. 9 Luan van Dạng sóng méo ở hình dƣới đây đƣợc phân tích thành một thành phần sóng cơ bản và thành phần sóng hài bậc 3, bậc 5.2 Sóng méo dạng và phân tích Furier tương ứng 1.2 Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện a. Tổng độ méo sóng hài (THD) Thƣờng dùng khái niệm tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (dòng điện) (THDV, THDi) là tỷ lệ của giá trị điện áp (dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dòng điện) cơ bản, biểu diễn bằng đơn vị phần trăm (%) để đánh giá mức độ biến dạng sóng hài: Tổng biến dạng sóng hài theo điện áp:         Tổng biến dạng sóng hài theo dòng điện:        Trong đó:  THDv, THDi: là tổng biến dạng sóng hài điện áp, dòng điện.

 Vi, Ii: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại sóng hài bậc i, i = 2, 3… 10 Luan van  V1, I1 : là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại tần số cơ bản (50Hz). Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không đƣợc vƣợt quá giới hạn, qui định tại các Thông tƣ số 12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng 4 năm 2010 và Thông tƣ số 32/2010/TT-BCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm 2010 nhƣ sau (Bảng 1.1 Tiêu chuẩn điện áp theo Thông tư 12 và 32 Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ 500kV, 220kV 3% - 110kV 3% 1,5% Trung và hạ áp 6,5% 3% Nhận xét: Nếu chỉ đánh giá sóng hài dựa theo hệ số tổng độ méo sóng hài THD thì có thể dẫn tới các kết luận không thỏa đáng. Lý do ở đây là trong trường hợp tải nhẹ, dòng tải nh ỏ thì dù giá trị THD tính được có thể r ất lớn nhưng cũng không đáng ngại do giá trị tuyệt đối của thành phần hài là nhỏ. Để có thể đánh giá chính xác hơn có thể dựa vào chỉ số “Tổng độ méo nhu cầu”.

Tổng độ méo nhu cầu (ký hiệu TDDv và TDDi) Đƣợc định nghĩa là tỷ lệ của điện áp (dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dòng điện) tần s ố cơ bản,               đ đ Cách tính toán hệ số TDD gần tƣơng tự nhƣ áp dụng đối với THD, tuy nhiên mức độ méo sóng diễn tả theo tỷ lệ phần trăm của dòng điện (điện áp) định mức hoặc dòng điện (điện áp) cho phép lớ n nhất. Bên cạnh đó tiêu chuẩn IEEE 519-1992 đƣa ra các khuyến cáo cụ thể hơn, mức độ méo sóng hài cho phép còn phụ thuộc vào công suất ngắn mạch của nguồn cấp 11 Luan van (công suất ngắn mạch tính tới thanh cái có tải phi tuyến nối vào). Chi tiết của tiêu chuẩn IEEE 519-1992 nhƣ sau: Bảng 1.2 Giới hạn tổng độ méo nhu cầu dòng điện của hệ thống điện phân phối có điện áp từ 120V đến 69kV Tổng biến dạng sóng hài dòng điện của IL Bậc sóng hài (h) ISC/I L <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <20 4.3 Tổng méo dạng nhu cầu dòng điện của hệ thống điện truyền tải 69kV đến 161kV Tổng biến dạng dòng điện lớn nhất của IL Bậc sóng hài (h) ISC /IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <20 2.0 12 Luan van Bảng 1.4 Tổng méo dạng nhu cầu dòng điện của hệ thống điện truyền tải và nguồn phân tán ISC /IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THD <50 2.0 Ở đây: Ics : Dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại điểm nối chung (PCC). IL: Dòng điện tải lớn nhất (thành phần tần số cơ bản) tại điểm kết nối chung.3 Nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện Sóng hài đƣợc phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, một cách tổng quát nguồn phát sinh sóng hài có thể do các yếu tố sau: - Tải công nghiệp • Thiết bị có thể bị bão hòa từ: máy biến áp và động cơ • Bộ biến đổi ba pha (AC & DC) • Lò hồ quang hoặc hàn hồ quang - Tải dân dụng và thƣơng mại.

• Nguồn chuyển mạch một pha • Đèn huỳnh quang • Mạch điều chỉnh tốc độ và thang máy. • Thiết bị văn phòng.  Các máy biến áp: hiện tƣợng bão hòa mạch từ là một nguyên nhân gây ra sóng hài. Khi biên độ điện áp từ thông đủ lớn (hiện tƣợng quá từ thông) để rơi vào vùng không tuyến tính trên đƣờng cong B-H của mạch từ sẽ dẫn đến dòng điện bị méo dạng và chứa thành phần sóng hài mặc dù sóng điện áp đặt vào vẫn là hình sin.1 mô tả hiện tƣợng này.

13 Luan van B(V) Cảm ứng từ B Đƣờng cong từ hóa H(I) Thành phần hài bậc ba Thành phần cơ bản Hình 1.1 Sóng hài sinh ra do hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến áp Hình 1.2 mô tả dạng sóng dòng điện pha A của máy biến áp khi lõi từ bị quá kích thích.2 Dạng sóng và phổ dòng pha A khi máy biến áp hoạt động trong điều kiện quá áp 10% điện áp định mức  Động cơ: tƣơng tự máy biến áp, động cơ cũng có lõi từ và khi hoạt động cũng có thể sinh ra các thành phần sóng hài, tuy nhiên chủ yếu là hài bậc 3.4 cho thấy dạng sóng bị méo của một số thiết bị dân dụng có sử dụng động cơ (máy lạnh, điều hòa.) Formatted: Line spacing: 1.3 Dòng điện của máy lạnh với THD=6,3% 14 Luan van Formatted: Line spacing: 1.4 Dòng điện của điều hòa với THD=10,5%  Thiết bị điện tử công suất: thiết bị điện tử công suất có sử dụng bộ chỉnh lƣu đầu vào, thiết bị chỉnh lƣu này chính là nguồn gây phát sóng hài.