Nghiên cứu thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động dựa theo số liệu đo lường

Sóng hài được sinh ra và lan truyền trong hệ thống do việc sử dụng các tải phi tuyến, các thiết bị điện tử công suất; các thiết bị hồ quang và phóng điện lò hồ quang điện, đèn phóng điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐỨC TRUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG

DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội Năm 2016 -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐỨC TRUNG

DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN XUÂN TÙNG

Hà Nội, năm 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Tác giả

Nguyễn Đức Trung

1

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày t lòng kính tr ng và biỏ ọ ết ơn sâu sắ ới c t TS Nguy n Xuân Tùng, ễ

gi ng viên B môn H ả ộ ệthống điện - Viện Điện Trường Đạ ọ- i h c Bách khoa Hà Nội, người thầy đã trực tiếp hướng d n tôi trong su t quá trình th c hiẫ ố ự ện đề tài này Tôi cũng xin bày tỏ ờ ảm ơn chân thàn l i c h t i Ban Giám hi u, Viớ ệ ện Đào tạo Sau đại h c, Viọ ện Điện, thư viện T Quang B u cùng các giạ ử ảng viên Trường Đại

h c Bách khoa Hà Nọ ội đã hướng d n tôi t n tình trong ẫ ậ suốt quá trình h c t p tọ ậ ại trường

Để có được ngày hôm nay tôi không th không nhể ắc đến những người thân trong gia đình đã tạo m t hộ ậu phương vững ch c giúp tôi yên tâm hoàn thành công ắ

việc và nghiên cứ ủu c a mình

Cuối cùng tôi xin g i t i toàn thử ớ ể ạn bè và đồ b ng nghi p l i biệ ờ ết ơn chân thành

v nh ng tình c m tề ữ ả ốt đẹp cùng s ự giúp đỡ quý báu mà mọi người đã dành cho tôi trong suốt th i gian làm vi c, hờ ệ ọ ậc t p, nghiên c u và thứ ực hiện đề tài này

Tác giả

Nguyễn Đức Trung

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 12

1.1 Phân loại chất lượng điện năng 12

1.2 Khái niệm về sóng hài 14

1.3 Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện 15

1.4 Các tiêu chuẩn khuyến cáo về mức độ sóng hài trong hệ thống điện 16

1.5 Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện 18

1.5.1 Các máy biến áp 19

1.5.2 Các động cơ 19

1.5.3 Các thiết bị điện tử công suất 20

1.5.4 Các thiết bị hồ quang 20

1.6 Ảnh hưởng của sóng hài tới hệ thống và các thiết bị 21

1.6.1 Hiện tưởng cộng hưởng tại tần số sóng hài 21

1.6.2 Ảnh hưởng tới các động cơ và máy biến áp 24

1.6.3 Ảnh hưởng tới hệ số công suất 24

1.6.4 Ảnh hưởng tới các bộ tụ bù 25

1.6.5 Ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ 25

1.6.6 Ảnh hưởng tới thiết bị đo đếm 25

CHƯƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 27

2.1 Tổng quan về các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện 27

2.2 Các bộ lọc sóng hài thụ động 28

3

2.2.1 Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp 28

2.2.2 Bộ lọc thụ động kiểu song song 29

2.3 Các bộ lọc sóng hài tích cực 29

2.3.1 Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu song song 29

2.3.2 Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu nối tiếp 30

2.4 Các bộ lọc hỗn hợp (kiểu lai ghép) 31

2.5 So sánh giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động 31

2.6 Các loại bộ lọc thụ động phổ biến 32

2.7 Hướng nghiên cứu của luận văn 36

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC CỘNG HƯỞNG ĐƠN DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƯỜNG THỰC TẾ 37

3.1 Qui trình chung để thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động [7] 37

3.2 Các tham số cần lựa chọn trước đối với bộ lọc cộng hưởng 40

3.2.1 Lựa chọn hệ số chất lượng Q cho bộ lọc 40

3.2.2 Lựa chọn tần số cộng hưởng cho bộ lọc 41

3.3 Các phương trình sử dụng trong tính toán thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn 43

CHƯƠNG 4 KIỂM NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA BỘ LỌC CỘNG HƯỞNG ĐƠN 47

4.1 Mô tả hệ thống 47

4.2 Mô phỏng sơ đồ lưới điện tính toán bằng phần mềm PSCAD 54

4.2.1 Giới thiệu sơ lược về phần mềm PSCAD 54

4.2.2 Mô phỏng sơ đồ lưới điện bằng phần mềm PSCAD 55

4.3 Tính toán thông số của bộ lọc 58

4.3.1 Tính toán thiết kế bộ lọc sóng hài bậc 5 59

4.3.2 Tính toán bổ sung thêm bộ lọc hài bậc 7 66

4.3.3.Kiểm tra sự làm việc của bộ lọc đã thiết kế trong trường hợp vận hành100% tải: 68

4.3.4 Tính toán lắp đặt bổ sung bộ tụ bù: 71

4

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75

5.1 Kết luận 75

5.2 Hướng nghiên cứu trong tương lai 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

5

MBA : Máy biến áp

THDV : Tổng độ méo sóng hài điện áp THDi : Tổng độ méo sóng hài dòng điện

6

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn

IEEE 1159 - 1995 12

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn về độ méo điện áp theo Thông tư 12 và 32 17

Bảng 1.3: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống phân phối 17

Bảng 1.4: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện 18

Bảng 1.5: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện (<161kV), có nguồn phát phân tán 18

Bảng 1.6: Phổ tần của sóng hài phát sinh bởi lò hồ quang 20

Bảng 2.1: Phổ tần của dòng điện khi sử dụng chỉnh lưu 6 và 12 xung 27

Bảng 4.1: Tổng hợp số liệu đo lường 52

Bảng 4.2: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 (Chế độ 80% tải) 64

Bảng 4.3: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ 80% tải) 68

Bảng 4.4: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ 100% tải) 70

Bảng 4.5: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ 100% tải) 72

7

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng 15

Hình 1.2: Sóng bị méo dạng và phân tích Furier tương ứng 15

Hình 2.1: Mạch chỉnh lưu có sử dụng cuộn kháng điều hòa 27

Hình 2.2: Bộ lọc thụ động nối tiếp 28

Hình 2.3: Bộ lọc thụ động song song 29

Hình 2.4: Bộ lọc tích cực bù ngang 30

Hình 2.5: Bộ lọc tích cực bù dọc 30

Hình 2.6: Bộ lọc hỗn hợp thông dụng 31

Hình 2.7: Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến 32

Hình 2.8: Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hưởng đơn 33

Hình 2.9: Đặc tính tổng trở của các loại bộ lọc thụ động phổ biến 36

Hình 3.1: Cấu hình hệ thống có thiết bị lọc sóng hài thụ động 37

Hình 3.2: Lược đồ thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động 39

Hình 3.3: Bộ lọc cộng hưởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số 40

Hình 3.5: Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến 42

Hình 3.6: Các tần số cộng hưởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống 42

Hình 4.1: Ảnh chụp toàn cảnh bộ mô phỏng hệ thống điện 47

Hình 4.2: Tải phi tuyến trên bộ mô phỏng hệ thống điện 48

Hình 4.3: Sơ đồ lưới điện và tải phi tuyến trên bộ mô phỏng 48

Hình 4.4: Sơ đồ một sợi của lưới điện 49

Hình 4.5: Vị trí điểm đo độ méo dòng điện (vị trí TP19) 50

Hình 4.6: Thiết bị đo chất lượng điện năng Fluke 435 50

Hình 4.7: Sơ đồ toàn cảnh đấu nối thiết bị đo và lưới điện cần khảo sát 52

Hình 4.8: Dạng sóng dòng điện 53

Hình 4.9: Dạng sóng điện áp (điện áp dây) 53

Hình 4.10: Giao diện chính của phần mềm PSCAD 54

Hình 4.11: Sơ đồ một sợi lưới điện tính toán 55

8

Hình 4.12: Sơ đồ mô phỏng lưới điện tính toán bằng phần mềm PSCAD 56

Hình 4.13: Độ lớn dòng ngắn mạch 3 pha tại TP17 56

Hình 4.14: Chu trình tính toán và kiểm tra bộ lọc 59

Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng với bộ lọc bậc 5(Chế độ 80% tải) 62

Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng với bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (chế độ 80% tải) 67

Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng với bộ lọc hài bậc 5, bậc 7 và bộ tụ (chế độ 100% tải) 71

9

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Một trong những vấn đề về chất lượng điện năng phổ biến trong hệ thống điện

là sóng hài và sụt áp ngắn hạn Sóng hài được sinh ra và lan truyền trong hệ thống

do việc sử dụng các tải phi tuyến, các thiết bị điện tử công suất; các thiết bị hồ quang và phóng điện (lò hồ quang điện, đèn phóng điện); các thiết bị điện tử công suất (các bộ nghịch lưu, biến tần)

Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây nhiều vấn đề đối với các thiết bị có lõi

từ như gây phát nóng quá mức, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá tải dây trung tính, ảnh hưởng tới các bộ điều khiển thiết bị Giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện có thể chia ra ba nhánh chính: Sử dụng bộ lọc thụ động, sử dụng bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép giữa hai dạng này Bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép có khả năng loại trừ hầu hết các sóng hài phát sinh, tuy nhiên giá thành các thiết bị này còn đắt và kèm theo chi phí bảo dưỡng cao

Luận văn đi sâu phân tích về việc sử dụng thiết bị lọc sóng hài thụ động (gồm các thành phần R, L, C) để loại trừ các sóng hài trong lưới điện phân phối Trong luận văn này sẽ tính toán thiết kế các bộ lọc dựa trên các số liệu đo lường thực tế

2 Lịch sử nghiên cứu

Các bộ lọc song hài thụ động đã được nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới, tuy nhiên tại Việt Nam, các công trình công bố chưa cho thấy có các nghiên cứu nào thể hiện qui trình và các bước tính toán cần thiết cho các loại bộ lọc thụ động với điều kiện dựa trên số liệu đo lường thu thập được từ các thiết bị đo

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu về chất lượng điện năng trong lưới phân phối, tuy nhiên tập trung vào ảnh hưởng của sóng hài tới các thiết bị và vận hành của lưới điện và các giải pháp Phần nội dung chính của luận văn sẽ mô tả chi tiết phương thức tính toán thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động kiểu cộng hưởng đơn dựa trên số liệu đo lường thu thập được Phần áp dụng được thực hiện với các số

10

liệu đo trực tiếp từ bộ mô phỏng hệ thống điện và tính toán kiểm nghiệm được thực hiện trên mô phỏng PSCAD với thông số của mô hình thuộc bộ mô phỏng hệ thống điện

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản

Nội dung chính của luận văn bao gồm các mục sau: Phân loại các hiện tượng

về chất lượng điện năng; Các nguồn phát sinh sóng hài và các ảnh hưởng của sóng hài; Các phương pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện (tập trung phân tích về

bộ lọc thụ động); Phương pháp tính toán lựa chọn bộ lọc theo số liệu đo thực tế; Kiểm nghiệm bằng mô phỏng sự làm việc của các bộ lọc đã tính toán

Để thực hiện các nội dung này thì luận văn được chia làm 5 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về chất lượng điện năng và sóng hài trong

hệ thống điện;

Chương 2: Các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện;

Chương 3: Tính toán thiết kế bộ lọc cộng hưởng đơn dựa theo số liệu đo

lường thực tế;

Chương 4: Kiểm nghiệm sự làm việc của bộ lọc cộng hưởng đơn;

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

5 Các đóng góp mới của tác giả

Nội dung nghiên cứu của luận văn đã có đóng góp trong việc tính toán bộ lọc dựa trên số liệu đo lường thực tế và có xét đến ràng buộc về mức tải và mức độ méo sóng hài trong các trạng thái vận hành khác nhau

11

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Phân loại chất lƣợng điện năng

Khái niệm chất lƣợng điện năng đƣợc áp dụng vào rất nhiều các hiện tƣợng điện từ trong hệ thống điện Việc ứng dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử càng làm tăng sự quan tâm về chất lƣợng điện năng và đi kèm với đó là xác định các thuật ngữ để phân loại các hiện tƣợng chất lƣợng điện năng Theo tiêu chuẩn IEEE 1159 - 1995, các hiện tƣợng điện từ trong hệ thống điện liên quan đến việc đánh giá chất lƣợng điện năng đƣợc phân loại nhƣ sau [1, 2 ]:

Có thể phân loại các vấn đề của chất lƣợng điện năng một cách sơ bộ bao gồm:

Mất cân bằng dòng điện & điện áp;

Sụt giảm điện áp, mất điện áp;

12

Loại Dải tần Thời gian tồn tại Biên độ

2 Biến đổi ngắn hạn

3 Biến đổi dài hạn

5 Biến dạng sóng điện áp

5.3 Nội điều hòa

Một cách trực quan có thể tổng hợp phân loại các hiện tƣợng chất lƣợng điện năng nhƣ sau:

13

1.2 Khái niệm về sóng hài

Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn, xuất hiện dưới dạng các dòng điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thường được gọi là tần số sóng cơ bản) Các dòng điện, điện áp bị méo có thể được 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 Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo,

14

có chu kỳ (không sin) thì có thể phân tích được thành tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin, chúng 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

Hình 1.1 : Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng

Trong trường hợp lý tưởng, 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

Dạng sóng méo ở hình dưới đây được phân tích thành một thành phần sóng cơ bản và thành phần sóng hài bậc 3, bậc 5 (hình 1.2 )

Hình 1.2 : Sóng bị méo dạng và phân tích Furier tương ứng

1.3 Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện

Thường sử dụng hai đại lượng đặc trưng cho sóng hài là:

15

- Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distortion - THD);

- Tổng độ méo nhu cầu (Total Demand Distortion TDD).-

Cả hai chỉ số này đều có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng điện và điện áp

a Tổng độ méo sóng hài (áp dụng cho điện áp và dòng điện, ký hiệu THDV và THDi): là tỷ lệ của điện áp (dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dòng điện) tần số cơ bản, tính theo phần trăm (%)

2

1 100

i V

V THD

V %

2

1100

i i

I THD

2

100

i V

dinhmuc

V TDD

V %

2

100

i i

dinhmuc

I TDD

I %

Cách tính toán hệ số TDD gần tương tự như 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 lớn nhất

1.4 Các tiêu chuẩn khuyến cáo về mức độ sóng hài trong hệ thống điện

Thông tư 12 và 32 của Bộ Công thương đưa ra giới hạn cho phép đối với tổng mức độ méo sóng điện áp và của từng mức sóng hài riêng lẻ: Tổng độ méo điện áp tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn, qui định tại các Thông tư số 12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng 4 năm 2010 và Thông tư số 32/2010/TT-BCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm 2010 như sau [3 ]:

16

Bảng 1 2 : Tiêu chuẩn về độ méo điện áp theo Thông tư 12 và 32

Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ

Bảng 1 3 : Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống phân phối

chung (có điện áp từ 120V tới 69000 V)

Độ méo sóng hài lớn nhất của dòng điện trong tỷ lệ của IL

Trong đó:

ISC : Dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trí điểm kết nối chung;

IL : Nhu cầu tối đa của dòng điện tải (thành phần tần số cơ bản) tại vị trí điểm kết nối chung

17

Bảng 1 4 : Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện

Trong đó:

ISC: Dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trí điểm kết nối chung

IL : nhu cầu tối đa của dòng điệntải (thành phần tần số cơ bản) tại vị trí điểm kết nối chung

Bảng 1.5: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện (<161kV), có

1.5 Các 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:

- Các tải phi tuyến (quan hệ giữa điện áp đặt vào và dòng điện chạy qua tải

không tuyến tính);

- Các thiết bị có lõi từ làm việc ở vùng bão hòa (máy biến áp, cuộn kháng, động

cơ…);

18