CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SÓNG HÀI 1. Giới thiệu về sóng hài Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, 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. Dòng điện hài là dòng điện có tần số là bội của tần số cơ bản. Ví dụ: Dòng 250Hz trên lưới 50Hz là sóng hài bậc 5.
Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao. Sóng hài được đặc trưng của dao động hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản. Thành phần sóng hài trong nguồn AC được định nghĩa là thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống.fb Trong đó: h là số nguyên dương.
Khảo sát sóng hài. Bậc của sóng hài được xác định như là tỷ số của tần số sóng hài fn và tần số cơ bản f1. 𝑓𝑛 𝑛= 𝑓1 Khi bậc của một sóng hài càng cao thì biên độ của nó càng nhỏ. Thông thường các sóng hài bậc 20 trở lên được bỏ qua khi phân tích hệ thống điện.
Chỉ số méo dạng sóng hài toàn phần THD là phép đo tỷ số giữa trị hiệu dụng của toàn bộ các sóng hài có bậc từ 2 đến h so với trị hiệu dụng của thành phần cơ bản (M1). 3 √∑ℎℎ=2 𝑚𝑎𝑥 𝑀ℎ2 𝑇𝐻𝐷 = 𝑀1 M có thể là giá trị hiệu dụng của dòng điện hoặc điện áp Chỉ số méo dạng yêu cầu toàn phần TDD ∞ 𝑚𝑎𝑥 2 √∑ℎ=2 𝐼ℎ 𝑇𝐷𝐷 = 𝑥 100% 𝐼𝐿 Trong đó: Ih: cường độ của thành phần sóng hài đặc biệt h: bậc của sóng hài IL: dạng tải yêu cầu tối đa (thành phần tần số cơ bản) tại điểm kết nối chung, viết tắt là PCC. Khi có sự hiện diện của sự méo dạng, ngoài công suất Q được dùng để biểu thị các thành phần phản kháng, còn có thêm đại lượng mới là D (Distortion Power hoặc Distortion Voltamperes). Công suất S xác định theo cách sau: S = √𝑷𝟐 + 𝑸𝟐 + 𝑫𝟐 Hình 1.2: Công suất thay đổi khi có sóng hài 1.Phân loại sóng hài: Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu sóng hài có thể phân sóng hài thành nhiều loại khác nhau.
Phân loại theo bậc chẵn lẻ 4 Theo cách phân loại này, nếu số thứ tự h là số chẵn, ta có sóng hài bậc chẵn còn nếu h là số lẻ, ta có sóng hài bậc lẻ. Nếu biểu diễn trên đồ thị dạng sóng, các sóng hài bậc chẵn hoặc bậc lẻ xuất hiện trong các méo dạng sóng có các dấu hiệu nhận biết như sau: - Hài bậc chẵn cho phần tư chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ tư là giống nhau; phần tư chu kỳ thứ hai và phần tư chu khì thứ ba là giống nhau. Hai nửa chu kỳ âm và nửa chu kỳ dương của méo dạng sóng là không lặp lại nhau. - Hài bậc lẻ cho phần tư chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba là giống nhau; phần tư chu kỳ thứ hai và phần tư chu kỳ thứ tư là giống nhau.
Hay nửa chu kỳ âm và nửa chu kỳ dương của méo dạng sóng là như nhau. - Thông thường sóng hài bậc chẵn ít xuất hiện trong hệ thống điện. Voltage Waveform at HANGOCLAN: phase A Voltage Waveform at HANGOCLAN: phase A Time (ms) Time (ms) 1 1 0.3: Dạng sóng hài a) Dạng sóng với hài bậc lẻ b) Dạng sóng với hài bậc chẵn 1. Phân loại theo phương pháp thành phần đối xứng Thành phần đối xứng cũng là một phương pháp toán học để phân tích sóng sin khi thành phần của 3 pha không đối xứng.
Phương pháp này được dùng sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện và mang lại hiệu quả cao trong tính toán và nghiên cứu. Theo phương pháp này, các vector dòng điện và điện áp không đối xứng trong mạng điện 3 pha sẽ được phân tích thành 3 thành phần đối xứng: thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không. Các sóng hài trong mạng 3 pha cũng có thể phân loại bằng cách sử dụng phương pháp này. Cụ thể như sau: Với sóng hài ở tần số cơ bản: 5 Xa = Xmax x sint Xb = Xmax x sin(t + 2/3) Xc = Xmax x sin(t - 2/3) Ở tần số h: Xah = Xmaxh sin ht Xbh = Xmaxh sin h(t +120º) Xch = Xmaxh sin h(t -120º) Như vậy với những sóng hài bậc có h = 3n +1, với n là số tự nhiên (n = 0,1,2…) ta sẽ có: Xah = Xmaxh sin ht Xbh = Xmaxh sin[(1+3n)t +120º+3n120º]= Xmaxh sin[ht +120º)] Xch = Xmaxh sin[(1+3n)t -120º- 3n120º]= Xmaxh sin[ht - 120º)] Như vậy với h = 3n +1 thì sóng hài bậc h sẽ tương ứng với thành phần thứ tự thuận.
Tương tự như vậy đối với những sóng hài có h = 3n + 2 sẽ có: Xah = Xmaxh sin ht Xbh = Xmaxh sin[(2+3n)t +2.120º- 3n120º]= Xmaxh sin[ht - 120º)] Các sóng hài này tương ứng với thành phần thứ tự nghịch Còn với sóng hài có bậc h là bội số của 3, h = 3n (n =1,2,…) thì: Xah = Xmaxh sin ht Xbh = Xmaxh sin[(3n)t + 3n120º]= Xmaxh sin[ht] Xch = Xmaxh sin[(3n)t - 3n120º]= Xmaxh sin[ht] Các sóng hài này tương ứng với thành phần thứ tự không. Liên sóng hài bậc cao, phụ sóng hài bậc thấp Liên sóng hài bậc cao (interharmonics): là các thành phần sóng có tần số nằm giữa hai thành phần sóng hài liên tiếp hay nói cách khác chúng là các bội không nguyên của tần số cơ bản h ≠ Z và h>1(h = 1, 2, 3.) Phụ sóng hài bậc thấp (subharmonics): là các thành phần sóng có tần số nhỏ hơn tần số cơ bản. Sóng hài dòng điện và sóng hài điện áp 6 Sóng hài dòng điện thường do tải phi tuyến (bộ biến đổi) gây ra. Sóng hài điện áp xuất hiện tại các vị trí tải nhạy cảm.
Sóng hài bội ba: Các sóng hài bội ba là các sóng hài bậc lẻ của sóng hài bậc 3 (h = 3, 9, 15, 21, …). Các sóng hài bội ba gây nên một vấn đề quan trọng trong hệ thống nối Y có trung tính nối đất: sự tồn tại dòng điện sóng hài lớn trong dây trung tính.4: Sóng hài bội 3 bậc lẻ 1. Phổ biên độ của sóng hài Người ta thường quan tâm đến độ lớn của các thành phần sóng hài, thể hiện qua phổ biên độ.5: Phổ của sóng hài 1. Sự méo dạng sóng sin Thông thường, điện áp hình sin được duy trì trên lưới điện, nhưng khi phụ tải có tính phi tuyến, dòng điện sinh ra sẽ có dạng không sin, dẫn đến sụt áp trên tổng trở đường dây có dạng không sin và như vậy điện áp trên tải cũng bị méo dạng.
Voltage Waveform at HANGOCLAN: phase A Time (ms) 1 0.6: Biến dạng điện áp do sóng hài 1. Đánh giá méo dạng sóng hài Những tương tác với lưới khi có sóng hài thường làm gia tăng méo dạng sóng hài điện áp và dòng điện tại nhiều vị trí. 8 Do đó, để giới hạn cả méo dạng sóng hài điện áp lẫn dòng điện, tiêu chuẩn IEEE 519-2014 đề xuất giới hạn mức bơm sóng hài dòng vào lưới từ phía người sử dụng để mức sóng hài điện áp trên lưới là chấp nhận được. Với khách hàng: Tiêu chuẩn này giới hạn mức bơm dòng sóng hài tại điểm kết nối chung (PCC).
Người dùng có thể kiểm soát đại lượng này và việc kiểm soát được yêu cầu cho từng thành phần lẫn độ méo dạng yêu cầu toàn phần. Về phía điện lực: trách nhiệm chính là giới hạn độ méo dạng điện áp tại điểm kết nối chung. Giới hạn cho từng thành phần sóng hài lẫn độ méo dạng sóng hài toàn phần được yêu cầu. Những giá trị giới hạn được mô tả dưới dạng phần trăm của điện áp cơ bản.
Với các hệ thống dưới 69 kV, giới hạn THD là 5%. Đôi khi tổng trở hệ thống tại các sóng hài được xác định bởi sự cộng hưởng của các bộ tụ bù hệ số công suất. Do đó, việc đáp ứng tiêu chuẩn IEEE 519-2014 thường có nghĩa là điện lực phải đảm bảo các cộng hưởng hệ thống không trùng với các thành phần sóng hài có mặt trong dòng tải. Về nguyên tắc, cả người dùng và điện lực đều có trách nhiệm kiểm soát sóng hài dòng và méo dạng điện áp tại PCC.
Vì có hai phía liên quan, nên việc đánh giá được chia thành 2 phần: đo dòng điện được bơm vào hệ thống và tính toán đáp ứng tần số của tổng trở hệ thống. Các phép đo cần được thực hiện trong thời gian đủ dài để các thay đổi và tính chất thống kê của sự méo dạng được thể hiện chính xác. Thời gian tối thiểu thường là 1 tuần, vì nó đại diện cho chu kỳ tải của hầu hết các tải công nghiệp và thương mại. Đánh giá sóng hài trên lưới điện Nếu méo dạng điện áp vượt quá giới hạn được đề nghị, cần thực hiện các biện pháp điều chỉnh để giảm mức méo dạng.
Theo thông tư số: 30/2019/TT-BCT Bảng 1a Độ biến dạng sóng hài điện áp tối đa cho phép Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ (%) (%) 9 110kV 3.0 Hạ áp 8 5 Bảng 1b Độ biến dạng sóng hài dòng điện tối đa cho phép đối với nhà máy điện Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ (%) (%) 110kV 3.0 2 Trung áp, hạ áp 5 4 Bảng 1c Biến dạng sóng hài dòng điện tối đa cho phép đối với phụ tải điện Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ (%) (%) 110kV 4 3.5 Trung áp 8 7 Hạ áp 12% nếu phụ tải 50kW 10% nếu phụ tải 50kW 20% nếu phụ tải < 50kW 15% nếu phụ tải < 50kW Theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014 Bảng giới hạn biến dạng điện áp Cấp điện áp Biến dạng riêng lẻ (%) Tổng biến dạng sóng hài (%) V ≤ 1 kV 5 8 1kV < V ≤ 69 kV 3 5 69kV < V ≤ 161kV 1.5 Có hai thành phần quan trọng để giới hạn méo dạng điện áp trên toàn bộ lưới điện: 10 - Sóng hài dòng điện bơm vào lưới từ mỗi người dùng phải được giới hạn. Các sóng hài dòng điện này lan truyền dọc theo tổng trở hệ thống, tạo ra méo dạng điện áp. - Ngay cả khi sóng hài dòng điện nằm trong giới hạn, độ méo dạng điện áp vẫn có thể cao, nếu tần số sóng hài dòng điện gần với một tần số cộng hưởng của hệ thống. Méo dạng điện áp cao nhất thường xảy ra ở bộ tụ tham gia quá trình cộng hưởng.