CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sóng hài trong lưới điện và giải pháp lọc sóng hài 1.1 Sóng hài trong lưới điện a. Sóng hài Sóng hài là sóng điều hòa bậc cao có tần số là bội số của tần số sóng cơ bản. Trong lưới điện sóng cơ bản của nguồn cấp là sóng sin tần số 50Hz, các sóng có tần số 150Hz, 250Hz lần lượt là các sóng hài bậc 3, bậc 5. Sóng hài gây nhiễu, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép.
Các thiết bị điện trên lưới điện không hoạt động được với các sóng hài. Vì vậy sóng hài sẽ bị chuyển hóa sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao. Hình 1-1: Sóng cơ bản và các sóng hài Chuỗi Fourier được sử dụng rộng rãi trong tính toán sóng hài. Bất kỳ sóng tuần hoàn nào cũng có thể biểu thị dưới dạng chuỗi Fourier như sau: f (t ) A0 ( An cos(h0t ) Bn sin(h0t )) h 1 (1.1) A0 (Cnsin(h0t h )) h 1 Trong đó: 17 1 2 f t là hàm tuần hoàn tần số f 0 , tần số góc 0 2 f 0 , chu kỳ T .
f 0 0 C1 sin 0t 1 là thành phần cơ bản. Ch sin h0t h là các thành phần sóng hài bậc h với biên độ Ch , tần số hf0 , góc pha h Các hệ số của chuỗi Fourier được tính như sau: T 2x 1 1 f t dt f t dx 2 0 A0 Trong đó: x 0t (1.2) T0 T 2x 2 1 Ah f t cos h0t dt f t cos hx dx T0 0 (1.3) T 2x 2 1 Bh f t sin h0t dt f t sin hx dx T0 0 (1.4) A Ch Ah 2 Bh 2 ; h arctg h Bh Các sóng hài có thể được tính toán một cách độc lập hoặc kết hợp các sóng hài khác nhau để có dạng tổng quát. Biên độ sóng hài là thành phần quan tâm chính vì nó ảnh hưởng chính đến hệ thống. Một tham số quan trọng để đánh giá tác động của sóng hài là hệ số méo dạng (Total Harmonic Distortion): X n 1 2 n THD X1 (1.5) Trong đó: - X 1 là biên độ thành phần cơ bản - X n là biên độ thành phần sóng hài bậc n Từ công thức (1.5), để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp ta sử dụng hệ số méo dạo dòng điện và hệ số méo dạng điện áp: I n 1 2 n THDI I1 (1.6) 18 Trong đó: - I1 là biên độ dòng điện cơ bản - I n là biên độ dòng điện hài bậc n V n 1 n 2 THDV V1 (1.7) Trong đó: - V1 là biên độ điện áp cơ bản - Vn là biên độ điện áp hài bậc n Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn như IEEE 519-2014, IEC 1000-4-3 về giới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới, đối với mỗi loại tải qui định THD < 5%, riêng đối với tải kỹ thuật số THD < 3%.
Nguyên nhân phát sinh sóng hài Nguyên nhân phát sinh sóng hài do các tải phi tuyến như các tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn… Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lò vi sóng…. Ta xét sóng hài gây ra bởi mốt số tải phi tuyến như: - Chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển Hình 1-2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 19 Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lưu Hình 1-3: Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển Hình 1-4: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển có độ méo rất lớn THD 35. Các thành phần sóng điều hòa này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra. Trong đó các thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11, 13 là chủ yếu - Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển 20 Hình 1-5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển Trường hợp góc điều khiển alpha bằng 30o Dòng điện pha A cuả nguồn gây ra bởi bộ chỉnh lưu 3 pha với góc điều khiển alpha bằng 30o Hình 1-6: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha bằng 30o Hình 1-7: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 30o 21 Trường hợp góc điều khiển alpha bằng 90o Dòng điện pha A cuả nguồn gây ra bởi bộ chỉnh lưu 3 pha với góc điều khiển alpha bằng 90o Hình 1-8: Dòng điện gây ra bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha với góc điều khiển alpha bằng 90o Hình 1-9: Phổ của dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha góc điều khiển alpha bằng 90o Ta thấy khi tăng góc điều khiển alpha thì dạng tín hiệu dòng của tải tăng độ méo thể hiện ở hệ số méo dạng THD với góc điều khiển alpha bằng 30 o là 34.42% và góc điều khiển alpha bằng 90o thì THD = 122.
Tác hại sóng hài Sóng hài có thể làm cho cáp điện bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết bị hiển thị sử 22 dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi và thiết bị đo cho kết quả sai.2 Giải pháp lọc sóng hài Việc loại bỏ sóng hài bằng các bộ lọc cộng hưởng LC chủ yếu theo các phương pháp: - Cuộn cảm nối tiếp - Bộ lọc thụ động - Bộ lọc thụ động mắc song song và nối tiếp - Bộ lọc tích cực - Máy biến áp Zigzag 1.2 Bộ lọc công suất tích cực và các vấn đề trong thiết kế bộ lọc công suất tích cực.1 Tổng quan về bộ lọc công suất tích cực Bộ lọc công suất tích cực (APF - Active Power filter) là bộ lọc sử dụng các phân tử điện tử công suất để lọc các sóng hài bậc cao trên hệ thống điện bằng cách tạo nên các sóng hài bằng và ngược pha với sóng hài phát sinh trong mạch.
Bộ lọc tích cực nhằm giảm sóng hài dòng điện và bù công suất phản kháng. Hình 1-10: Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực Trên hình 1.10 ta thấy tổng của sóng hài do nguồn Inguồn và sóng hài do bộ lọc tích cực phát ra Ilọc bằng không. Tuy nhiên các sóng này luôn thay đổi, do đó bộ lọc 23 tích cực cần được điều khiển theo tín hiệu dạng sóng nguồn và dạng sóng tải và được phản ảnh qua phản hồi dòng điện. Nhờ bộ lọc tích cực chất lượng điện áp cũng được nâng lên và tổn hao công suất trong lưới sẽ giảm đi.
Sơ đồ khối tổng quát của bộ lọc tích cực: Hình 1-11: Sơ đồ khối tổng quát của bộ lọc tích cực Trong sơ đồ này tín hiệu dòng điện và điện áp tải thông qua thiết bị đo lường được đưa đến khối tính toán tín hiệu đặt để thực hiện tính toán dòng tổng sóng hài. Sau khi xác định được tổng sóng hài cần bù đưa ra tín hiệu đặt cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển (Controller) điều khiển mạch công suất (Power Circuit) để phát dòng bù sóng hài tức thời với vector dòng có cùng độ lớn nhưng ngược pha với sóng hài tổng.2 Các vấn đề trong thiết kế bộ lọc tích cực. Cấu trúc bộ lọc tích cực Bộ lọc tích cực có thể cấu trúc theo các dạng như sau [84]: Hình 1-12: Phân loại bộ lọc tích cực theo cấu trúc Cấu trúc Shunt APF: 24 Hình 1-13: Cấu trúc Shunt APF Đây là cấu trúc được sử dụng rộng dãi trong các ứng dụng bộ lọc tích cực.
Cấu trúc này bao gồm một nguồn VSI được kết nối trực tiếp vào hệ thống. Cấu trúc Series APF: Hình 1-14: Cấu trúc bộ lọc Series APF Series APF được kết nối với hệ thống thông qua biến áp cách ly. Trong cấu trúc này thì tín hiệu bù sóng hài được đưa vào thông qua biến áp (vf). Cấu trúc Hybrid APF: 25 Hình 1-15: Cấu trúc bộ lọc kết hợp bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động Hybrid APF là sự kết hợp giữa bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động, kế thừa ưu điềm của hai bộ lọc thụ động và tích cực.
Hybrid APF tăng hiệu quả bộ lọc và tối ưu chi phí trong thiết kế. Tính toán xác định dòng bù sóng hài. Một trong những bước để thiết kế bộ lọc tích cực là cần phải xác định dòng bù hài chính xác và nhanh. Về thực chất dòng bù hài chính là đảo dòng hài trên tải.
Có rất nhiều phương pháp để xác định dòng hài trên tải như biến đổi Fourier nhanh (FFT/Fast Fourier Transfrorm), lý thuyết công suất tức thời p – q, lý thuyết hệ qui chiếu d – q đồng bộ, sử dụng các bộ lọc tương tự hoặc số thích hợp để tách các thành phần hài. Các phương pháp tính toán sóng hài dựa trên miền tần số: Phương pháp này dựa trên phân tích Furier. Trong lớp phương pháp này có 3 phương pháp chính là phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform), phương pháp FFT (Fast Fourier Transform), phương pháp RDFT (Recursive Discrete Fourier Transform). - Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform): là thuật toán biến đổi cho các tín hiệu rời rạc, kết quả của phép phân tích đưa ra cả biên độ và pha của thành phần sóng điều hòa mong muốn theo công thức sau: 26 N 1 2.8) n 0 N n 0 N Ta có thể viết dưới dạng sau: X h X hr jX hi X h X hr2 X hi2 (1.
