CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN 1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong lưới điện 1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong đời sống dân sinh cũng như sản xuất công nghiệp hết sức đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, đồng nghĩa kéo theo đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ thống cung cấp điện. Như ta đã biết rằng, điện năng truyền tải trong hệ thống cung cấp điện thông qua việc sử dụng một sóng điện từ có tần số 50 Hz (Việt Nam) hoặc 60 Hz (Mỹ, Nhật), gọi là sóng cơ bản.
Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân như: Sự cố đường dây, các phụ tải phi tuyến như: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ… làm cho phát sinh phía nguồn hệ thống cung cấp điện các sóng điện từ có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Các sóng này gọi chung là sóng điều hòa bậc cao (hay còn gọi là sóng hài). Sự tồn tại của các sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống điện gây ảnh hưởng không tốt tới các thiết bị điện và đường dây truyền tải. Chúng gây ra hiện tượng: quá áp, méo điện áp lưới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụ tải, giảm chất lượng điện năng và gián đoạn cung cấp điện.
Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao ra khỏi hệ thống điện. Các thiết bị được sử dụng để loại bỏ sóng điều hòa bậc cao gọi là các bộ lọc. Có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong sản xuất công nghiệp. Đề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực, đảm bảo các yêu cầu đặt ra về chất lượng điện năng cho lưới cung cấp và phân phối điện đến phụ tải.
Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn có chất lượng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng 3 không còn dạng sin [10, 11] được thể hiện trên hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin) Sóng chu kỳ không sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng điều hoà mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản. Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không: - Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11… - Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5, 8… - Thành phần thứ tự không: các sóng điều hòa 3, 6, 9… Khi xảy ra trường hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng điều hòa có thể bao gồm một trong ba thành phần trên.
Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện nên cần phải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao lớn hơn mức độ cho phép. Sóng điều 4 hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Thí dụ: Ta có dòng điện với tần số 150(Hz) tồn tại trên lưới làm việc với tần số 50(Hz), suy ra đây là dòng điều hòa bậc 3 và dòng 150(Hz) này là dòng không sử dụng được với các thiết bị làm việc trên lưới 50(Hz). Vì vậy nó sẽ chuyển thành dạng nhiệt năng và gây tổn hao.5 f(t) Thành phần cơ bản 1 0.5 Thành phần bậc 5 0 -0.5 Thành phần bậc 7 -1 -1.2: Các thành phần sóng điều hòa Để phân tích sóng chu kỳ không sin thành các sóng điều hoà, ta sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T(s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz) hoặc ω = 2πf (rad/s), có thể biểu diễn một sóng chu kỳ không sin f(t) theo Fourier như biểu thức sau: (1.1) Trong đó : : Giá trị trung bình Fn: Biên độ của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier Thành phần sóng cơ bản Thành phần sóng cơ bản : Góc pha của sóng điều hòa bậc n Ta có thể viết như sau: (1.2) Ta quy ước: Khi đó ta có thể viết như sau: 5 (1.3) Im FFT window: 1 of 10.96 cycles of selected signal 2000 1000 0 -1000 Re Hình 1.3: Phân tích Fn thành an và bn -2000 0.215 Ví dụ phổ của hài được thể hiệnTime như(s)sau: Fundamental (50Hz) = 1205 , THD= 8.40% 8 Mag (% of Fundamental) 6 4 2 0 0 5 10 15 20 Harmonic order Hình 1.4: Phổ của các thành phần điều hòa Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan trọng nhất dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao.4) X1 Trong đó: X1: Biên độ thành phần cơ bản Xn: Biên độ thành phần điều hòa bậc n.
Từ công thức trên ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp qua hệ số méo dạng như sau: 6 Hệ số méo dạng dòng điện: I n2 n2 THD (1.5) I1 Trong đó: I1: Biên độ thành phần dòng cơ bản In: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n. Hệ số méo dạng điện áp: U n2 n2 THD (1.6) U1 Trong đó: U1: Biên độ thành phần điện áp cơ bản Un: Biên độ thành phần điện áp điều hòa 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%. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên lưới điện *.
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau: = (1.8) Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng điều hòa bậc cao, sẽ dẫn đến tăng tổn hao nhiệt, làm hỏng cách điện của các thiết bị, gây ra các hỏng hóc không mong muốn. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao lênn một số thiết bị như sau: 7 Các máy điện quay: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng; Làm méo mômen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; Có thể gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí… Các thiết bị đóng cắt: Làm tăng nhiệt độ và tổn hao trên thiết bị; Có thể gây hiện tượng khó đóng cắt, kéo dài quá trình dập hồ quang dẫn đến tuổi thọ của thiết bị giảm… Các rơ le bảo vệ: Có thể gây tác động sai, tác động ngược, … Các tụ điện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất điện môi (làm giảm dung lượng tụ), gây hiện tượng cộng hưởng trên tụ… Các dụng cụ đo: Ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị sử dụng đĩa cảm ứng, như: điện kế, rơ le quá dòng… Thiết bị điều khiển điện tử công suất: Việc điện áp bị méo có thể gây ra trường hợp xác định điểm không để tính góc mở cho các khóa điện tử công suất bị sai, làm cho mạch hoạt động không chính xác… * Giới hạn về thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện. Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn: - IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp: Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp Điện áp tại điểm nối Nhiễu điện áp từng loại Nhiễu điện áp tổng chung sóng điều hòa(%)= cộng các loại sóng điều hòa THD (%) ≤ 69 KV 3,0 5,0 Trên 69 KV đến 161KV 1,5 2,5 Trên 161 KV 1,0 1,5 - IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung (từ 120V đến 69KV) (tính theo % của Itải).2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện Tỷ số ngắn h<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THD mạch(SCR=ISC/Itải) <20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 Từ 20 đến 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 Từ 50 đến 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 Từ 100 đến 1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 Trên 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên h: Bậc của sóng điều hòa - IEC 1000-3-4 cho thiết bị có dòng đầu vào mỗi pha trên 75A Bảng 1.3: IEC 1000-3-4 Bậc sóng điều Giá trị (%) Bậc sóng điều Giá trị (%) hòa (n) hòa (n) chấp nhận. Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài Nguồn tạo sóng hài trong hệ thống cung cấp điện được tạo ra bởi các tải phi tuyến.
Các thiết bị điện tử công suất Các thiết bị điện tử công suất bản thân được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như Diot, Thyristor, mosfet, IGBT, GTO…là các phần tử phi tuyến gây nên các sóng điều hòa bậc cao. Tùy theo cấu trúc của các bộ biến đổi mà có thể sinh ra các dạng sóng điều hòa khác nhau. Thông thường, để hạn chế sóng điều hòa bậc cao, người ta sử dụng các mạch chỉnh lưu cầu ba ghép lại với nhau thành bộ chỉnh lưu 12 xung 9 hoặc bộ chỉnh lưu 24 xung; tức là tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên. Tuy nhiên khi chọn giải pháp như vậy sẽ dẫn tới thiết bị cồng kềnh, tổn thất điện áp lớn… *.
Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển cung cấp cho một phụ tải R-L nối tiếp có mô hình như hình 1.5: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển Hình 1.6: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển 10 Hình 1.7: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần *. Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển cung cấp cho một phụ tải R-L nối tiếp có mô hình như hình 1.8: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha không điều khiển 11 Dac tinh dong dien nguon cung cap 1000 800 600 400 200 i (A) 0 -200 -400 -600 -800 -1000 0 0.9: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu pha không điều khiển Hình 1.10: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần 12 *.
