Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Khái niệm về sóng hài. Dạng sóng điện hình sin có tần số nhất định thường là 50 Hz (tần số cơ bản) do các nhà máy điện, trạm điện cung cấp cho mạng điện lưới.Tuy nhiên, khi di chuyển gần về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Sóng méo dạng này có thể là tổng của tín hiệu hình sin ở tần số cơ bản và các hình sin có tần số là bội số nguyên lần của tần số cơ bản .Các tín hiệu hình sin có tần số là bội số nguyên lần của tần số cơ bản được gọi là các sóng hài ,đây là nguyên nhân gây tổn hao trên lưới điện, bội số nguyên này được gọi là bậc sóng hài. Công cụ toán học 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 có thể phân tích được thành tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin như Hình 1.1 Dạng sóng và bậc sóng hài. Tổng các sóng hình sin là chuỗi fourier, được biểu diễn theo công thức sau: Trong đó: A0 là biên độ thành phần 1 chiều. + h) sóng sin bậc h (h=1 thì C1 . + 1) là thành phần dòng điện tần số 50Hz đang được sử dụng). Thành phần sóng bậc cao càng nhiều thì sóng hình sin càng méo tức biên độ sóng dao động càng mạnh. 9 Để đo độ méo sóng hài ta có thể sử dụng hệ số méo dạng toàn phần THD (Total Harmonic Distortion).
Trong đó: C 1 là biên độ dòng điện/điện áp cơ bản. C h là biên độ dòng điện/điện áp sóng sin thứ h. Điểm đo hiệu quả nhất để đánh giá độ méo là tại điểm thanh cái chung PCC (Point of Common Coupling). Trong một nhà máy công nghiệp, PCC là điểm kết nối giữa tải phi tuyến và các tải khác.
Theo tiêu chuẩn IEEE 519 thì để đo sóng hài phải theo dõi cần 15- 30 phút. Với những nguồn cung cấp nhỏ nhưng lại có dòng lớn hơn so với dòng danh định, các công thức trên sẽ cho một độ méo đo được có vẻ lớn hơn và ngược lại những nguồn lớn nhưng có dòng nhỏ sẽ cho độ méo nhỏ. Để khắc phục, người ta dùng cách tính tổng độ méo dựa trên dòng tải I L, còn gọi là tổng độ méo nhu cầu (Total Demand Distortion – TDD). Độ méo lúc này được tính bằng % biên độ của dòng định mức hay dòng tải lớn nhất, chứ không phải theo % của dòng điện cơ bản.
Trong đó I L là giá trị trung bình của dòng tải nhu cầu đỉnh của 12 tháng trước đây, với các thiết bị mới lắp đặt IL có thể được ước lượng dựa trên các tài liệu của thiết bị. Trong hệ thống điện, sóng hài thường bị lẫn trong tần số cơ bản theo một tỷ lệ nào đó, tỷ lệ này phụ thuộc vào vị trí và đặc tính của các phụ tải trên lưới phân phối.2 Ví dụ về phổ tần sóng hài. Từ sự biến dạng theo chu kỳ của giá trị đo, ta có thể nhận biết được sự xuất hiện của các hài bậc lẻ và bậc chẵn như sau: • Hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo lập lại y hệt nửa chu kỳ dương, nhưng với chiều âm .Nói cách khác,hài bậc lẻ xuất hiện khi phần tư chu kỳ 10 đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba giống nhau,phân tư chu kỳ thứ hai và thứ tư giống nhau. Loại hài này thường xuất hiện trên các tải là chỉnh lưu cầu do nửa chu kỳ âm và dương trên chỉnh lưu này đối xứng nhau.3 Ví dụ về sóng hài bậc lẻ(a) và chẵn(b) • Hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ dương .Một đặc điểm khác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư thứ nhất và thứ tư giống nhau, phần tư thứ hai và thứ ba giống nhau.
Dạng này ít gặp ở các hệ thống phân phối điện công nghiệp.2 Nguyên nhân sinh ra sóng hài trong hệ thống điện. Các nguồn sinh ra sóng hài trong công nghiệp được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến.Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép MBA, động cơ (đặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu,nghịch lưu,điều áp xoay chiều…) các đèn điện tử, nguồn hàn các hệ truyền động điện, lò hồ quang điện, lò nấu thép cảm ứng. Quan hệ dòng điện và điện áp trên phụ tải tuyến tính và phi tuyến. Trong hệ thống điện, các loại tải có dòng điện chạy qua tỷ lệ bậc 1 với điện áp đặt lên tải được gọi là tải tuyến tính, ví dụ về loại tải này là tải thuần trở với hệ số nhiệt điện trở bằng 1, động cơ một chiều (không sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất) có phụ tải cơ bậc 1 như quạt gió, bơm.4 Quan hệ dòng và áp trên tải tuyến tính.
11 Ngược lại, các phụ tải phi tuyến có dòng điện chạy qua không đồng dạng với dạng của điện áp đặt lên tải, nghĩa là trở kháng của nó thay đổi theo điện áp, thời gian, phụ tải cơ học.hoặc các đại lượng khác. Điều này làm cho dòng điện không còn phụ thuộc tuyến tính vào điện áp và không còn dạng hình sin, điện áp đặt trên tải này cũng bị biến dạng theo và bị méo, xuất hiện thành phần không sin.5 Điện áp phi tuyến gây ra bởi dòng phi tuyến. Điển hình của loại phụ tải này là các phụ tải sử dụng biến đổi điện tử công suất như biến tần, chỉnh lưu có điền khiển, các thiết bị hàn hồ quang, các thiết bị có mạch từ hoạt động ở chế độ bão hòa từ theo thiết kế hoặc các dạng bão hòa từ không mong muốn.6 dưới đây mô tả dạng dòng điện của một chỉnh lưu có điều khiển, dòng điện chỉ xuất hiện khi các khóa điện tử ở trạng thái dẫn và kết quả là gây ra một sự méo dạng trên hệ thống.6 Quan hệ dòng điện và điện áp trên tải phi tuyến. Như vậy, các phần từ phi tuyến tham giá vào lưới điện chính là nguyên nhân gây ra hài, theo định nghĩa trong IEEE 519-1992 thì hài là các thành phần sóng sin tuần hoàn (có thể là dòng điện hoặc điện áp) có tần số là bội số của tần số cơ bản, đặc trưng của hài là gây ra độ méo dạng dòng về dòng điện và điện áp.
Một số nguồn phát sinh sóng hài trong lưới phân phối. Các loại tải phi tuyến khác nhau sinh ra các loại hài khác nhau về bậc và phổ của hài, việc nắm được các thành phần hài đặc trưng được sinh ra trên từng loại thiết bị sẽ giúp việc thiết kế các bộ lọc hài một cách hiệu quả và kinh tế hơn, dưới đây ta phân tích nguyên nhân gây ra hài trên các phần tử phi tuyến chính trong hệ thống điện.7 Sóng hài và các méo dạng gây ra do các thành phần hài bậc 2, 3, 4. Các máy biến áp điện lực thông thường được thiết kế để hoạt động trong vùng tuyến tính của mạch từ, tuy nhiên, một số trường hợp vận hành sẽ dẫn đến việc mạch từ của máy bị bão hòa như máy hoạt động quá công suất thiết kế, vận hành ở điện áp cao hơn điện áp thiết kế.8 Méo dạng do bão hòa từ. Khi độ lớn của từ thông trong máy bị đẩy lên đến vùng phi tuyến (C-B, E-F) sẽ tạo ra hài và gây méo dạng sóng.
Khi hoạt động ở chế độ bão hòa từ, máy biến áp gây ra khá nhiều hài bậc lẻ,trong đó thành phần bậc 3 là lớn nhất. Trong các máy biến áp 3 trụ, từ thông sinh ra do hài bậc 3 ở các pha tác động lên các trụ cùng một phương, từ thông này mở rộng ra bên ngoài lõi từ, sự tương tác này làm giảm dòng hài bậc 3 xuống một giá trị nhỏ, tuy nhiên, phần bậc 5 và 7 vẫn khá lớn (hài bậc 5 đến 10%) và gây méo đáng kể. 13 Hài bậc chẵn thường chỉ xuất hiện khi hai nửa chu kỳ không đối xứng, ở trạng thái xác lập, hầu như không có hài bậc chẵn. Tuy nhiên trong chế độ quá độ, như khi đóng điện MBA thì các loại hài bậc thấp đều có thể xuất hiện, trong đó thành phần hài bậc chẵn thường được dùng để hãm tác động của rơle so lệch dọc khi đóng điện cho MBA.
Việc sử dụng các bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ (có hoặc không có điều khiển) sẽ gây ra thành phần dòng một chiều lẫn trong dòng tải, dưới tác dụng của thành phần DC này, sự bão hòa từ cũng sẽ xảy ra sớm hơn và nặng nề hơn. Ngoài vấn đề về bão hòa từ, trong các động cơ điện thường có mật độ bất đối xứng nhất định của các khe từ trên stator và rotor, hoặc sự không đồng đều của hình dạng các bối dây ba pha trên stator, kết quả là dòng điện qua động cơ bị biến thiên không đồng đều theo góc quay của stator và gây ra các thành phần hài. Các thành phần này gây ra sức điện động trên dây quấn stator với tần số bằng tỉ số tốc độ trên bước sóng, kết quả của sự phân bố các lực từ động này sinh ra các thành phần hài là một hàm số của tốc độ, các thành phần hài khác cũng có thể phát sinh do sự bão hòa của mạch từ (mạch từ stator, rotor, tương tác stator, rotor. Khi không có biến áp đấu tam giác, một động cơ đồng bộ 3 pha có thể sinh ra một dòng hài bậc 3 có giá trị lên tới 30% nếu hoạt động ở vùng bão hòa từ.
Đồ thị dưới đây minh họa dạng dòng điện trên một động cơ có THD = 10.9 Dạng dòng điện của một động cơ có THD=10. Các thiết bị điều khiển công suất. Ngày nay, các thiết bị biến đổi điện tử công suất đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các phụ tải điện với mục đích điều tiết linh hoạt truyền động điện, các quá trình nhiệt hoặc hệ thống truyền tải điện một chiều. Các bộ biến đổi này rất đa dạng, loại nhỏ được áp dụng trong hầu hết các bộ nguồn của thiết bị điện tử dân dụng.