Đề tài power system harmonic analysis using etap

2 MỞ ĐẦU Sự hiện diện của sóng hài gây ra nhiều tác động tiêu cực nghiêm trọng đến toàn bộ hệ thống điện và các thiết bị.. Các bộ tụ điện là thiết bị chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, do tổn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔN HỌC CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 1

MỞ ĐẦU 2

MỤC 1: KHÁI NIỆM SÓNG HÀI 1

1.1 Phân loại sóng hài 1

1.2 Phân tích sóng hài bằng Chuỗi Fourier 1

1.3 Các chỉ tiêu đánh giá sóng hài 1

MỤC 2 NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH SÓNG HÀI 3

2.1 Nguyên nhân 3

2.2 Các thiết bị cụ thể có thể sản sinh sóng hài 3

MỤC 3 TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI 4

3.1 Ảnh hưởng chung đến chất lượng điện năng và hệ thống 4

3.2 Tác hại cụ thể đối với các thiết bị điện 4

3.3 Các tác hại khác 6

MỤC 4 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU SÓNG HÀI 7

4.1 Các tiêu chuẩn đánh giá sóng hài 7

4.2 Các phương pháp phân tích sóng hài bằng phần mềm 7

4.3 Phần mềm mô phỏng và công cụ đo lường 7

4.4 Các giải pháp giảm thiểu Sóng hài 8

4.4.1 Các bộ lọc sóng hài 8

4.4.2 Các phương pháp giảm thiểu khác 9

MỤC 5 MÔ PHỎNG SÓNG HÀI BẰNG ETAP 10

5.1 Hệ thống lưới điện 6 bus đơn giản 10

5.1.1 Mô hình lưới 10

5.1.2 Phân tích dòng tải cân bằng 11

5.1.3 Phân tích dòng tải sóng hài 11

5.1.4 Quét tần số sóng hài 14

5.1.5 Loại bỏ sóng hài bằng cách sử dụng ngân hàng tụ điện 18

5.1.6 Loại bỏ sóng hài bằng cách sử dụng bộ lọc 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 5 1 Sơ đồ 1 sợi hệ thống điện 6 bus 11

Hình 5 2 Phân tích dòng tải cân bằng 11

Hình 5 3 Kết quả dòng tải hài 12

Hình 5 4 Cửa sổ cảnh báo ( nghiên cứu dòng tải hài) 12

Hình 5 5 Plot flow load harmonic ( 6 bus) 13

Hình 5 6 Harmonic Load Flow Plot (Bus 05) 13

Hình 5 7 Harmonic Load Flow plot (Voltage Spectrum for Bus 05) 14

Hình 5 8 Harmonic Frequency Scan result 14

Hình 5 9 Alert Window (Harmonic Frequency Scan) 15

Hình 5 10 Harmonic Frequency Scan Plot, impedance- angle (All Bus) 17

Hình 5 11 Harmonic Frequency Scan Plot, impedance- magnitude (all bus) 16

Hình 5 12 Harmonic Frequency Scan Plot, impedance- angle (Bus 5) Error! Bookmark not defined. Hình 5 13 Harmonic Frequency Scan Plot, impedance- magnitude (Bus 5) 17

Hình 5 14 Harmonic load flow Study (After connecting Capacitor Banks) 18

Hình 5 15 Harmonic Load Flow Plots (without Capacitor on left and with capacitor on right) 18

Hình 5 16 Harmonic Plots (Voltage Spectrum without the capacitor on left and with capacitor on right) 19

Hình 5 17 Harmonic Impedance- Magnitude Plot (Without capacitor on left and with capacitor on right) 19

Hình 5 18 Harmonic Impedance-Angle Plot (Without capacitor on left and with capacitor on right) 19

Hình 5 19 Harmonics Plot (voltage spectrum for all buses) 21

Hình 5 20 Balanced Load Flow Analysis 22

Hình 5 21 Harmonic Load Flow Analysis – Alert View 22

Hình 5 22 Harmonic Load Flow Analysis after filter tuning.n tích lưu luọng tải hài sau khi điều chỉnh bộ lọc 23

Hình 5 23 Harmonic Load Flow Plots (without filter on left and with filter on right) 23

Hình 5 24 Harmonic Plots (Voltage Spectrum without filter on left and with filter on right) 24

Hình 5 25 Harmonic Impedance- Magnitude Plot (Without capacitor on left and with capacitor on right) 24

Hình 5 26 Harmonic Impedance-Angle Plot (Without filter on left and with filter on right) 24

Hình 5 27 The alert view for Frequency Scan 25

2

MỞ ĐẦU

Sự hiện diện của sóng hài gây ra nhiều tác động tiêu cực nghiêm trọng đến toàn bộ

hệ thống điện và các thiết bị Các tác hại này bao gồm việc làm méo dạng sóng điện áp và dòng điện, gây quá nhiệt và giảm tuổi thọ của các thành phần quan trọng như máy biến áp, động cơ điện, tụ bù, và dây dẫn Cụ thể, sóng hài làm tăng tổn hao đồng và sắt trong động

cơ, dẫn đến tăng nhiệt và suy giảm cách điện của cuộn dây Với máy biến áp, sóng hài làm tăng tổn hao sắt từ và đồng, gây quá tải và phát nóng Các bộ tụ điện là thiết bị chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, do tổng trở của chúng tỷ lệ nghịch với tần số, sóng hài bậc cao có thể gây dòng điện lớn đáng kể, dẫn đến quá tải, cháy cầu chì, giảm tuổi thọ cách điện và thậm chí là nổ tụ

Ngoài ra, sóng hài còn dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể và giảm hệ số công suất, làm tăng chi phí vận hành Chúng cũng có thể gây nhiễu loạn cho các thiết bị điều khiển, viễn thông, hệ thống tự động hóa, và khiến các thiết bị bảo vệ (như cầu dao, aptomat, rơle) hoạt động sai hoặc ngắt điện không rõ nguyên nhân Mức độ ô nhiễm sóng hài ở Việt Nam những năm gần đây đã vượt quá tiêu chuẩn quy định và có xu hướng gia tăng Các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 519 (ví dụ, IEEE 519-1992, IEEE 519-2014) và các quy định trong nước (như Thông tư 39/2015/TT-BCT) đã đưa ra giới hạn về tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (THDv) và dòng điện (THDi) nhằm đảm bảo chất lượng điện năng

Với những ảnh hưởng ngày càng nghiêm trọng và phức tạp của sóng hài, việc nghiên cứu, phân tích và đưa ra các giải pháp giảm thiểu sóng hài trở thành một yêu cầu cấp thiết

để đảm bảo hoạt động ổn định, hiệu quả và tin cậy của hệ thống điện Tiểu luận này sẽ đi sâu vào tìm hiểu các khía cạnh của sóng hài trong hệ thống điện, từ nguyên nhân phát sinh đến các tác động cụ thể, đồng thời đề xuất và đánh giá các phương pháp hiệu quả để kiểm soát và giảm thiểu sóng hài, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và tối ưu hóa vận hành thiết bị

1

MỤC 1: KHÁI NIỆM SÓNG HÀI

Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn trong hệ thống điện, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng Nó được định nghĩa là điện áp hoặc dòng điện hình sin có tần số là bội số nguyên dương của tần số cơ bản của hệ thống Tại Việt Nam, tần

số cơ sở là 50Hz, do đó sóng hài bậc 2 là 100Hz, bậc 3 là 150Hz, v.v Sự hiện diện của sóng hài làm cho sóng điện áp hoặc dòng điện tổng bị méo dạng, không còn là sóng sin chuẩn (Distorted Waveform)

1.1 Phân loại sóng hài

Sóng hài thường được phân loại theo:

• Dạng sóng:

Sóng hài dòng điện: Thường do các tải phi tuyến tính gây ra

Sóng hài điện áp: Thường do sóng hài dòng điện gây ra khi chúng chạy qua trở kháng

của nguồn, làm điện áp bị méo dạng

• Bậc sóng hài:

Sóng hài bậc lẻ (ví dụ: 3, 5, 7, 11, 13): Thường tồn tại nhiều hơn và có ảnh hưởng đáng

kể trong hệ thống điện 3 pha khi sóng méo dạng đối xứng ở nửa chu kỳ âm và dương

Sóng hài bậc chẵn: Chỉ xuất hiện trong trường hợp đặc biệt khi sóng méo dạng không

đối xứng (ví dụ: khi đóng máy biến áp không tải, lò hồ quang) Các sóng hài bậc chẵn thay đổi hướng về biên độ và triệt tiêu lẫn nhau, nên khi đánh giá CLĐN người ta thường chỉ xem xét các sóng hài bậc lẻ

Thành phần đối xứng: Sóng hài bậc 3 có tính chất tương tự dòng điện thứ tự không và

chạy qua dây trung tính và dây nối đất Sóng hài bậc 5 có thứ tự nghịch (pha A-C-B), gây ra từ trường quay ngược chiều với từ trường cơ bản, làm giảm khả năng tạo mô-men xoắn của động cơ và gây rung

1.2 Phân tích sóng hài bằng Chuỗi Fourier

Mọi dạng sóng chu kỳ có hình dáng bất kỳ đều có thể phân tách thành các thành phần cơ bản và các thành phần hài bằng cách sử dụng phân tích chuỗi Fourier Thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) là một công cụ hiệu quả để thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) trên tín hiệu rời rạc theo thời gian, giúp ước lượng giá trị biên độ của sóng cơ bản và các sóng hài

1.3 Các chỉ tiêu đánh giá sóng hài

Mức độ sóng hài thường được đo lường bằng một số chỉ số quan trọng:

Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD): Là tỷ lệ của điện áp (hoặc

dòng điện) hiệu dụng của tất cả các sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (hoặc dòng điện) tải tại tần số cơ bản (tính theo %) Giá trị THD bằng 0 đối với hệ thống điện lý tưởng

2

2 i

i 2 1

F THD

F



=

= 

Độ méo sóng hài riêng lẻ (Individual Harmonic Distortion – IHD): Đo lường tỷ lệ

của một thành phần sóng hài cụ thể với thành phần cơ bản

i 1

F IHD

F

=

Giá trị hiệu dụng (Root Mean Square – RMS): Là căn bậc hai của tổng bình phương

các biên độ của sóng cơ bản và tất cả các sóng hài

2 i

i 1

=

Tổng cộng đại số (Arithmetic Summation – ASUM): Là tổng toán học của các biên

độ của sóng cơ bản và tất cả các sóng hài, hữu ích để đánh giá khả năng chịu đựng tối

đa của thiết bị

Hệ số ảnh hưởng điện thoại (Telephone Influence Factor – TIF): Là một biến thể của

THD, trong đó mỗi sóng hài được gán một trọng số khác nhau dựa trên mức độ gây nhiễu cho tín hiệu âm thanh trong cùng dải tần số

( )2

i i

i 1 2 i

i 1

W FTIF

Hệ số đỉnh (Crest Factor – CF): Là tỷ số giữa giá trị điện áp (hoặc dòng điện) đỉnh tức

thời và giá trị hiệu dụng của nó Đối với sóng hình sin chuẩn, tỷ số này là 1.41 Giá trị khác 1.41 cho thấy sóng bị méo dạng

Hệ số hình dáng (Form Factor – Kf): Là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng và giá trị trung

bình của điện áp (hoặc dòng điện) Đối với sóng hình sin, Kf = 1.11

I*T Product (I*T): Tích của các thành phần hiện tại (cơ bản và hài hòa) và các hệ

Tại đây :Ih = thành phần dòng điện, Th = hệ số trọng số, h = bậc sóng hài, H = bậc sóng hài tối đa tính đến

3

MỤC 2 NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH SÓNG HÀI

2.1 Nguyên nhân

Nguyên nhân chính gây ra sóng hài là do các phụ tải phi tuyến (non-linear loads)

có trong hệ thống điện Các tải phi tuyến này hút dòng điện từ đường dây điện không theo dạng sóng hình sin hoàn hảo mà theo các xung ngắn, nhanh Mặc dù điện áp đầu vào có dạng hình sin, dòng điện đi qua các tải này lại có dạng không sin.Thay đổi Bản chất của Phụ tải

2.2 Các thiết bị cụ thể có thể sản sinh sóng hài

Các thiết bị điện tử công suất: Đây là nguồn phát sóng hài phổ biến nhất, bao

gồm các bộ biến đổi (converter), bộ biến tần (VFD - Variable Frequency Drives, inverter), bộ nguồn xung (switched-mode power supplies - SMPS), bộ chỉnh lưu (rectifier), bộ lưu điện (UPS) và bộ điều khiển điện áp Sự gia tăng sử dụng các thiết bị này, đặc biệt trong các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió, làm tăng mức độ méo sóng hài trong lưới

Các thiết bị có lõi từ bị bão hòa: Máy biến áp (MBA), động cơ và máy phát

điện Khi điện áp tăng hoặc khi non tải, điểm làm việc của lõi từ có thể rơi vào vùng phi tuyến, làm dòng từ hóa tăng mạnh và bị méo dạng, đặc biệt là thành phần hài bậc 3 có thể tăng tới 50%

Các phụ tải công nghiệp đặc biệt: Lò hồ quang và máy hàn hồ quang tạo ra

sóng hài, bao gồm cả bậc chẵn và lẻ, tùy thuộc vào giai đoạn hoạt động

Các tải dân dụng: Máy tính cá nhân, bộ lưu điện (UPS), đèn huỳnh quang (chấn

lưu điện tử), máy photocopy, TV, lò vi sóng, máy in, đều có thể sản sinh sóng hài, chủ yếu là bậc 3

Các nguyên nhân khác: Các thành phần sóng hài bậc cao, liên sóng hài bậc cao , xung nhọn chu kỳ, và các thành phần nhiễu (noise) khác Sự xuất hiện thành phần một chiều (DC offset) Dao động công suất, đặc biệt là công suất phản kháng, do các loại phụ tải như máy hàn hồ quang, lò nấu thép Dòng điện hài thường chảy từ phía tải (nguồn

sóng hài) về phía nguồn điện (lưới điện hoặc máy phát) Thông thường, sóng hài bậc lẻ (3, 5, 7, ) tồn tại nhiều hơn trong hệ thống điện ba pha so với sóng hài bậc chẵn

4

MỤC 3 TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI

Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn trong hệ thống điện, được định nghĩa là các dòng điện hoặc điện áp có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (ví dụ, với tần

số cơ bản 50Hz, sóng hài bậc 5 là 250Hz) Chúng được coi là thành phần trong nguồn

AC và có thể làm méo dạng sóng điện áp nguồn và dòng điện tải, khác với dạng sóng hình sin chuẩn Sóng hài gây ra nhiều vấn đề tổn hại đến phụ tải và toàn bộ hệ thống điện

3.1 Ảnh hưởng chung đến chất lượng điện năng và hệ thống

• Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng và cần được chú ý khi điện áp hoặc dòng điện hài cao hơn mức cho phép

• Khi sóng hài làm biến dạng dòng điện, chúng có thể gây hư hỏng đối với thiết bị được

thiết kế phù hợp với dòng điện hình sin

• Sự hiện diện của sóng hài có thể làm tăng công suất nhu cầu (power demand) và

khiến máy ngừng chạy do nguồn bị quá tải, đặc biệt khi nhiều động cơ chạy cùng lúc

• Dòng năng lượng 250Hz không thể sử dụng được với các thiết bị trên lưới và sẽ được

chuyển hóa thành nhiệt năng và gây tổn hao không đáng có

• Các thành phần sóng hài cộng thêm công suất ảo vào tổng công suất tiêu thụ, làm máy

biến áp quá tải, phát nóng và cháy mặc dù tải chỉ tiêu thụ công suất trung bình

• Sóng hài gây ra các tổn thất nghiêm trọng trong hệ thống điện

3.2 Tác hại cụ thể đối với các thiết bị điện

o Sóng hài gây nóng quá mức cho các bộ phận của MBA

o Khi dòng điện và điện áp tần số cao do sóng hài tạo ra chạy qua cuộn dây, điện trở của dây dẫn tăng lên do hiệu ứng bề mặt, dẫn đến nóng cục bộ các cuộn dây và có

thể làm hỏng lớp cách điện

o Sự gia nhiệt do sóng hài cũng có thể làm giảm công suất của máy biến áp, vì nhiệt

độ tăng làm suy giảm đặc tính cách điện

o Tăng tổn hao sắt từ (tổn hao từ trễ và tổn hao do dòng xoáy) và tổn hao đồng (do

hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận)

o Dòng hài bậc 3, 9, 15 có thể chạy quẩn trong cuộn tam giác của MBA, gây quá

tải cho cuộn dây này và thêm tổn hao trong lõi thép

o Ví dụ, MBA đầy tải cung cấp cho máy tính có thể có tổng tổn thất gấp 2 lần so với khi tải tuyến tính

o Cần giảm công suất của MBA xuống khoảng 80% khi cấp điện cho tải giàu sóng

hài để giữ tổn thất không đổi

• Động cơ & Máy phát:

5

o Tăng tổn hao công suất trong lõi và cuộn dây, dẫn đến tăng phát nóng và giảm

tuổi thọ cách điện

o Các dòng hài có tần số lớn hơn gây ra tổn hao từ trễ và dòng xoáy lớn hơn

o Sinh ra các mô men hài tương tác với mô men chính của động cơ, gây ra dao động

mô men Sóng hài thứ tự nghịch (bậc 5, 11, 17 ) cố gắng quay động cơ theo hướng

ngược lại tần số cơ bản, tạo ra xung mô-men xoắn và có thể gây xoắn trục, thậm

chí gãy trục, cùng các vấn đề rung động Sóng hài thứ tự thuận (bậc 7, 13, 19 ) giúp động cơ quay theo hướng tần số cơ bản, tăng khả năng tạo mô-men xoắn

o Sóng hài có thể kích hoạt dòng điện vòng bi, gây hồ quang và làm hỏng ổ đỡ, giảm

tuổi thọ vòng bi

o Giảm hiệu quả của động cơ do việc từ hóa đồng và sắt trở nên khó khăn hơn

o Quá áp ngắn hạn (swell) có thể gây quá tải và mất đồng bộ cho động cơ đồng bộ

o Động cơ không đồng bộ có thể chịu đựng SAG khoảng 30% nhưng khởi động lại

có thể kéo dài SAG do dòng khởi động lớn, dẫn đến không khởi động được

o Động cơ đồng bộ 3 pha có thể sinh ra dòng hài bậc 3 lên tới 30% nếu hoạt động ở vùng bão hòa mạch từ

o Động cơ điện rất nhạy cảm với mất cân bằng điện áp pha

• Bộ tụ (Capacitors):

o Là thiết bị chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của sóng hài

o Sóng hài có thể tăng giá trị điện áp tức thời cực đại, ảnh hưởng đến cách điện

(phóng điện cục bộ) và gây nguy hiểm cho bộ tụ

o Do tổng trở bộ tụ tỷ lệ nghịch với tần số, các sóng hài bậc cao gây dòng điện lớn đáng kể qua bộ tụ, dẫn đến quá tải, cháy cầu chì, giảm tuổi thọ cách điện Ví dụ,

sóng hài bậc 7 với độ lớn 0.15pu có thể sinh ra dòng điện tới 105% dòng cơ bản

o Bộ tụ trở thành nơi hút sóng hài trong hệ thống điện

o Tăng tổn hao điện môi trong bộ tụ, làm nóng, gây lão hóa nhanh và giảm tuổi thọ

o Lắp đặt bộ tụ bù công suất phản kháng là một yếu tố góp phần tạo ra hiện tượng cộng hưởng sóng hài, có thể gây hỏng hóc cho các bộ tụ

• Dây dẫn và cáp điện:

o Sóng hài bậc 3 chạy qua dây trung tính (tương tự thành phần thứ tự không) có thể

gây quá tải dây trung tính (có thể tới 170%), dẫn đến phát nóng hoặc cháy dây

dẫn

o Hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận do tần số cao làm tăng điện trở, gây phát nóng

và giảm tuổi thọ cáp

• Thiết bị điện tử và điều khiển nhạy cảm:

o Bộ vi xử lý đặc biệt nhạy cảm với sụt áp, có thể gây mất dữ liệu, mất trao đổi thông

tin, rối loạn quá trình điều khiển

o Làm màn hình nhấp nháy, gây ra các tiếng ồn mạnh do sóng hài gây nhiễu điện từ mạnh

6

o Thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn

o Sóng hài bậc cao làm tăng tốc độ biến thiên điện áp tại thời điểm qua 0, gây khó

khăn trong việc xác định chính xác và có thể dẫn đến nhiều thời điểm qua 0 trong một chu kỳ, gây hoạt động nhầm của thiết bị

o Ảnh hưởng tới các tụ điện trong mạch và làm thay đổi góc mở của thyristor

o Gây nhiễu trong hệ thống truyền thông

• Rơle bảo vệ:

o Hoạt động của rơle thay đổi mạnh trong môi trường sóng hài

o Rơle cơ chịu ảnh hưởng nhiều hơn so với rơle tĩnh và số

o Với bảo vệ quá dòng: sóng hài có thể gây ảnh hưởng ở chế độ bình thường hoặc khi quá tải

o Với rơle tần số: nếu đo tần số bằng cách đếm số lần tín hiệu qua 0, nhiều thời điểm qua 0 do sóng hài có thể khiến rơle xác định tần số đang cao, dẫn đến không sa thải phụ tải

o Các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện không rõ nguyên nhân

3.3 Các tác hại khác

• Điện áp N-G (trung tính-đất) quá lớn

• Lãng phí năng lượng và bị phạt tiền điện do hệ số công suất phản kháng thấp

• Các sự cố đột ngột như cầu dao nhảy không rõ lý do

• Khi chạy máy phát điện dự phòng hoặc trên tàu biển, giàn khoan, sóng hài có thể bị

khuếch đại thêm 3 đến 4 lần do đặc tính cảm kháng của máy phát cao hơn máy biến

thế thông thường, gây hỏng hóc nghiêm trọng và thậm chí cháy máy phát

• Sóng hài có thể làm giảm tuổi thọ thiết bị và cần thay thế thiết bị hư hỏng, tốn kém chi

phí cho doanh nghiệp

Các vấn đề sóng hài ở Việt Nam đã vượt quá tiêu chuẩn và có xu hướng gia tăng trong những năm gần đây Để đối phó với những tác hại này, các tiêu chuẩn như IEEE 519-1992 (nay là IEEE 519-2014) đã được ban hành để đặt ra giới hạn cho phép về độ méo dạng sóng hài

7

MỤC 4 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIẢM

THIỂU SÓNG HÀI 4.1 Các tiêu chuẩn đánh giá sóng hài

Các tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia được sử dụng để quy định giới hạn sóng hài:

IEEE 519-1992: Quy định giới hạn tổng độ méo sóng hài điện áp (VTHD) và độ méo sóng hài riêng lẻ (VIHD) Các chỉ số biến dạng sóng hài sau khi sử dụng bộ lọc thường được so sánh với tiêu chuẩn này

Thông tư 39/2015/TT-BCT (Việt Nam): Quy định tổng độ biến dạng sóng hài điện áp

và sóng hài riêng lẻ tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn cho phép (ví dụ: ≤ 3.0% THD và ≤ 1.5% sóng hài riêng lẻ ở 110 kV; ≤ 6.5% THD và ≤ 3.0% sóng hài riêng lẻ ở trung và hạ áp)

4.2 Các phương pháp phân tích sóng hài bằng phần mềm

Để đánh giá và xử lý vấn đề sóng hài, có hai phương pháp phân tích chính thường được sử dụng trong các phần mềm mô phỏng hệ thống điện:

Nghiên cứu dòng hài (Harmonic Load Flow Study): Phương pháp này tính

toán dòng tải ở tần số cơ bản để thiết lập nền tảng điện áp và dòng điện nhánh Sau đó,

nó tìm ra giải pháp dòng tải cho từng tần số hài khi có nguồn hài trong hệ thống, sử dụng phương pháp tiêm dòng điện (current injection method) Kết quả giúp xác định độ méo điện áp và dòng điện hài, so sánh với các giới hạn tiêu chuẩn để phát hiện vi phạm ETAP và DIgSILENT PowerFactory đều hỗ trợ phương pháp này

Quét tần số hài (Harmonic Frequency Scan Study): Đây là công cụ tốt nhất

để điều tra vấn đề cộng hưởng trong hệ thống điện Nó tính toán và vẽ đồ thị biên độ và góc pha của trở kháng điểm điều khiển bus trên một dải tần số nhất định, giúp nhận diện

rõ ràng các điều kiện cộng hưởng song song và tần số cộng hưởng ETAP và DIgSILENT PowerFactory cũng hỗ trợ phương pháp này

4.3 Phần mềm mô phỏng và công cụ đo lường

• Các phần mềm phổ biến:

ETAP: Là một phần mềm tích hợp, thân thiện với người dùng, dễ dàng mô hình hóa các

nguồn hài và thực hiện phân tích dòng hài, quét tần số, thiết kế bộ lọc ETAP cung cấp nhiều tính năng như cảnh báo vi phạm tiêu chuẩn (IEEE 519), biểu đồ phổ hài, và báo cáo chi tiết

DIgSILENT PowerFactory: Cũng là một công cụ tích hợp mạnh mẽ cho phân tích hệ

thống điện, bao gồm phân tích sóng hài trong miền tần số Nó cho phép mô hình hóa nguồn hài và thực hiện phân tích dòng hài, quét tần số

PSPICE: Thường được sử dụng để thiết kế và kiểm tra hiệu suất của các bộ lọc riêng

lẻ

8

Matlab/Simulink: Được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các bộ lọc tích

cực

Thiết bị đo lường: Các thiết bị đo sóng hài hiện đại thường sử dụng phương pháp

chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích phổ sóng hài điện áp và dòng điện theo thời gian thực Chúng có khả năng đo các thông số như Urms, Irms, công suất P, hệ số công suất cosφ, THD (THDu, THDi) và hiển thị phổ sóng hài

4.4 Các giải pháp giảm thiểu Sóng hài

4.4.1 Các bộ lọc sóng hài

Bộ lọc là giải pháp phổ biến nhất để giảm thiểu sóng hài

• Bộ lọc sóng hài thụ động (Passive Filters):

Đặc điểm: Sử dụng các thành phần thụ động tiêu chuẩn như cuộn cảm (L), điện trở (R),

và tụ điện (C) để tạo thành mạch bể (tank circuit) Mạch được thiết kế để hoạt động ở tần số cộng hưởng của sóng hài không mong muốn, tạo ra đường dẫn trở kháng thấp để hút sóng hài, hoặc chặn chúng không cho đi qua Đây là giải pháp ít tốn kém nhất

Các loại phổ biến: Bộ lọc đơn cộng hưởng (single-tuned), bộ lọc thông thấp (low-pass

filter), bộ lọc thông cao (high-pass filter - Damped/Undamped), bộ lọc thông dải pass filter), và bộ lọc C-Type

(band-Nhược điểm: Có thể gây hiện tượng cộng hưởng nếu không được thiết kế và điều chỉnh

phù hợp Khi thông số bộ tụ, kháng thay đổi (do già hóa, hỏng ngăn tụ), tần số cộng hưởng có thể tiến tới tần số sóng hài, gây tác động xấu Bộ lọc thụ động thường chỉ hiệu quả với một dải tần số hài cố định và không thích ứng tốt với sự thay đổi của tải

• Bộ lọc sóng hài tích cực (Active Harmonic Filters - AHF):

Đặc điểm: Là thiết bị điện tử công suất đáp ứng nhanh, có khả năng giải quyết nhiều vấn đề về chất lượng điện năng AHF bù sóng hài bằng cách phát sinh ra các dạng sóng hài đối nghịch pha với sóng hài có sẵn trong hệ thống, làm triệt tiêu chúng

Nhiệm vụ: Bù công suất phản kháng, bù sóng hài dòng điện (quan trọng với tải

công suất nhỏ và vừa), bù sóng hài điện áp (khi phụ tải nhạy cảm với sóng hài điện áp

từ nguồn), tăng hệ số công suất, ổn định điện áp, tăng độ cung cấp điện, giảm tổn thất lưới

Ưu điểm: Khắc phục được các thiếu sót của bộ lọc thụ động, hoạt động an toàn,

không bị ảnh hưởng bởi nguồn và không cộng hưởng với hệ thống Thích ứng tức thời với sự thay đổi của nguồn và điều kiện tải Hiệu suất lọc cao (80-95%)

Phân loại: Bộ lọc tích cực nối tiếp (Series Active Filter) và bộ lọc tích cực song

song (Shunt Active Filter) Bộ lọc tích cực nối tiếp bù sóng hài và sự mất cân bằng điện

áp nguồn Bộ lọc tích cực song song bù tải dòng điện hài

Nhược điểm: Chi phí cao hơn và có giới hạn MVA nhất định so với bộ lọc thụ

động

9

4.4.2 Các phương pháp giảm thiểu khác

Sử dụng bộ chuyển đổi đa xung (Multi-pulse Converters): Tăng số xung của

bộ chỉnh lưu (ví dụ: 12 xung, 18 xung, 24 xung) để loại bỏ các sóng hài bậc thấp hơn (ví dụ: 5, 7, 11, 13) Giải pháp này yêu cầu máy biến áp dịch pha và cấu hình phức tạp nhưng mang lại hiệu suất cao

Sử dụng cuộn kháng (Reactor): Cuộn kháng AC hoặc DC có thể được lắp đặt

nối tiếp ở phía nguồn của bộ chuyển đổi để làm suy giảm dòng điện hài và giảm các sự kiện quá độ điện áp

Máy biến áp cách ly (Isolation Transformer): Cung cấp sự cách ly an toàn giữa

sơ cấp và thứ cấp, loại bỏ nhiễu, và cung cấp điểm nối đất trung tính Thường dùng cho các tải nhạy cảm với nhiễu, nhưng có kích thước lớn, giá thành đắt và tổn thất công suất

Cấu hình lại cấu trúc liên kết mạng: Xác định và điều chỉnh tần số của các khu

vực hoặc thiết bị sinh ra dòng hài lớn Đối với hệ thống dân dụng, phân bổ lại tải bằng cách trộn tải tuyến tính và phi tuyến có thể giảm thiểu méo dạng sóng hài

Cải thiện nguồn cấp: Tăng kích thước và công suất máy biến áp, hoặc bổ sung

nguồn cấp để tăng dòng ngắn mạch khả dụng và giảm tác động của các sự kiện lớn như khởi động động cơ

Cân bằng pha: Đảm bảo cân bằng tải giữa các pha để hạn chế sự phát sinh sóng

hài không đặc trưng và giảm tổn thất nhiệt trong động cơ 3 pha

Kết luận: Sóng hài là một thách thức lớn đối với chất lượng điện năng trong hệ

thống điện hiện đại Việc hiểu rõ khái niệm, nguyên nhân và tác hại của chúng là nền tảng để triển khai các biện pháp đánh giá và giảm thiểu hiệu quả Các công cụ mô phỏng tiên tiến như ETAP, DIgSILENT PowerFactory cùng với các giải pháp phần cứng đa dạng như bộ lọc thụ động, bộ lọc tích cực, và bộ chuyển đổi đa xung, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống điện vận hành ổn định, tin cậy và hiệu quả về kinh

tế Nhu cầu giám sát liên tục phổ sóng hài và phát triển các giải pháp tiên tiến hơn, đặc biệt là các bộ lọc tích cực cho lưới điện có nhiều nguồn năng lượng tái tạo, là hướng đi quan trọng trong tương lai

10

MỤC 5 MÔ PHỎNG SÓNG HÀI BẰNG ETAP

Đối với Phân tích sóng hài, các loại mạng điện khác nhau được sử dụng để mô phỏng trong phần mềm ETAR Ở đây các thành phần sóng hài được mô hình hóa để tạo ra dòng điện hài cho biến dạng sóng hài trong mạng điện Sau khi cho phép phân tích sóng hài hiệu quả, các kỹ thuật loại bỏ phổ biến sẽ được tuân theo để giảm thiểu độ méo sóng hài

đó Toàn bộ quá trình phân tích sóng hài sẽ được mô tả cho phù hợp

5.1 Hệ thống lưới điện 6 bus đơn giản

5.1.1 Mô hình lưới

Một hệ thống 6 bus đơn giản được mô hình hóa dưới dạng sơ đồ một đường để thực hiện phân tích sóng hài Một tải được kết nối với thanh cái 5 được mô hình hóa như một nguồn sóng hài để tạo ra sự biến dạng hài trong mạng điện này Hoạt động của nguồn sóng hài này trên mạng lưới điện sẽ được điều tra bằng cách sử dụng Phân tích sóng hài và các kỹ thuật giảm thiểu sẽ được thực hiện để loại bỏ bất kỳ biến dạng sóng hài nào

Các thành phần cho mạng 6 bus này được lấy từ thư viện ETAP Lưới điện bên ngoài được kết nối với thanh cái 110 kV (The Swing bus) và sau đó mức điện áp đã giảm

từ 110kV xuống 22 kV và 35kV bằng cách sử dụng máy biến áp 2 cuộn dây với công suất định mức 30MVA và 100MVA

Một tải được mô phỏng như một nguồn hài có tên là 'Motor' được kết nối với thanh cái 5 Nguồn hài này được mô hình hóa bằng cách nhấp vào trang Harmonic của trình chỉnh sửa tải 12 sóng hài được chọn từ thư viện sóng hài

Tất cả các thanh cái đều được thiết kế theo tiêu chuẩn IEEE519 để kiểm tra độ méo hài Theo mặc định, ETAP đặt tất cả các thánh cái cho phép 2.5% THD (Biến dạng sóng hài toàn phần) và 1.5% IHD (Độ méo sóng hài riêng lẻ) và có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu của người dùng

Các giá trị đã chọn này sẽ được so sánh với các giá trị THD và IHD được tính toán sau khi thực hiện nghiên cứu dòng tải hài Nếu bất kỳ thanh cái nào vượt quá giới hạn được xác định trước này, thông báo cảnh báo sẽ nhấp nháy để nhận biết tình trạng này bằng cách nêu rõ giới hạn định mức và giới hạn hoạt động Quá điện áp và điện áp thấp cũng được hiển thị trong cửa sổ cảnh báo Vi phạm này có thể nghiêm trọng (khi các điều kiện cần được kiểm tra càng sớm càng tốt) hoặc cận biên (nơi thay thế tải thường sẽ khắc phục sự cố) Sau khi mô hình hóa tát cả các thành phần trong mạng điện,

hệ thống sẽ sẵn sàng chạy phân tích lưu lượng tải cân bằng

11

Hình 5 1 Sơ đồ 1 sợi hệ thống điện 6 bus

5.1.2 Phân tích dòng tải cân bằng

Lưu lượng dòng tải cân bằng cần được thực hiện để có được giá trị MVA và Hệ

số công suất có thể được sử dụng tại thời điểm định cỡ bộ lọc Tại đây Phương pháp Gauss Seidel đã được tiến hành để thực hiện phân tích dòng tải Kết quả của luồng tải cân bằng được hiển thị trên một sơ đồ đường và có thể được trình quản lý báo cáo hiển

Hình 5 2 Phân tích dòng tải cân bằng

5.1.3 Phân tích dòng tải sóng hài

Khi chạy nghiên cứu lưu lượng tải hài, có thể thấy rằng, có một số tần số hài với

độ lớn hơn vượt quá giới hạn THD và IHD