Nghiên cứu giảm thiểu sóng hài lưới điện nhà máy thép trên địa bàn thành phố hồ chí minh

1.2 Tổng quan về sóng hài Khi các bộ biến đổi công suất dùng linh kiện điện tử công suất trở nên phổ biến đầu tiên vào cuối thập niên 70 của thế kỷ 20, rất nhiều kỹ sƣ của các công ty đ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Võ Viết Cường

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 9 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phan Tiến Dũng Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 11/05/1980 Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:1441830036

I- Tên đề tài:

Nghiên cứu giảm thiểu sóng hài lưới điện Nhà máy thép trên địa bàn TP.HCM

II- Nhiệm vụ và nội dung:

 Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về chất lượng điện năng

 Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về sóng hài

 Tìm hiểu các tiêu chuẩn liên quan về sóng hài

 Nghiên cứu các giải pháp chống sóng hài

 Lựa chọn một trong các giải pháp để thực hiện chống sóng hài

 Thực hiện chống sóng hài cho Nhà máy thép

 Nhận xét và đánh giá kết quả

 Kết luận

III- Ngày giao nhiệm vụ: 01/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 7/2016

V- Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ Võ Viết Cường

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS Võ Viết Cường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi 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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Phan Tiến Dũng

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên con xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập

và thực hiện đề tài

Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý thầy cô trường Đại Học Công Nghệ TP

Hồ Chí Minh, Quý thầy cô đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Đặc biệt em xin được cảm ơn thầy TS Võ Viết Cường đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và động viên em trong suốt quá trình thực hiện để em có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn các Ban Giám Đốc và các Anh Chị công tác tại Công ty Điện lực Gia Định, Công ty Thí Nghiệm Điện lực TP.HCM, Công ty TNHH MTV Thép Đăng Khoa, Công ty TNHH SX TM Thép Châu Á, Ban Kỹ thuật thuộc Tổng Công ty Điện Lực Tp.Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và công tác

Cuối cùng xin cám ơn tất cả những người bạn đã kề vai sát cánh cùng tôi trong suốt thời gian qua

TP Hồ Chí Minh, tháng 9 - 2016

Học viên thực hiện

TÓM TẮT

Trước sự lớn mạnh của nền kinh tế thì việc gia tăng nhanh chóng phụ tải điện đã gây sức ép rất lớn cho ngành điện, đặc biệt là sự gia tăng của các phụ tải phi tuyến trong các hệ thống điện nói chung và trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng Đây chính

là nguồn gốc phát ra các sóng sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản mà được gọi là các sóng hài Các sóng hài này lan truyền trong các hệ thống điện và gây ra các ảnh hưởng bất lợi lên các phần tử của hệ thống điện Vì thế, “Nghiên cứu giảm thiểu sóng hài lưới điện Nhà máy thép trên địa bàn TP.HCM” là cần thiết Với mục tiêu: đưa ra giải pháp giảm thiểu sóng hài đến mức chấp nhận được cho lưới điện của các nhà máy thép tại TP.HCM

Sau một thời gian nghiên cứu, luận văn đã thực hiện các vấn đề chính sau:

- Tìm hiểu lý thuyết về: (1) nguồn gốc phát sinh sóng hài và các ảnh hưởng của sóng hài lên hệ thống điện; (2) Tìm hiểu các tiêu chuẩn liên quan đến sóng hài

- Tiến hành đo đạc thực tế tại Nhà máy thép Đăng Khoa và nhà máy thép Châu Á trên địa bàn huyện Hóc Môn, TP.HCM

- Từ những lý thuyết có được cùng những thực tế đo đạc tại một số nhà máy thép trên địa bàn TP.HCM, luận văn thực hiện nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu sóng hài và đưa ra giải pháp giảm thiểu sóng hài có hiệu quả Các giải pháp sau đó được kiểm chứng bằng các kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab và đưa ra kết luận như sau: (1) Kết quả mô phỏng cho thấy bộ lọc tích cực đã thiết kế làm việc rất tốt, dòng điện nguồn sau khi lọc có tổng độ méo dạng THD< 5%, đạt yêu cầu cho phép của tiêu chuẩn IEEE std 159-1992 và IEC 1000-3-4 (2) Phương pháp này khi kết hợp với cuộn kháng lọc sẽ cho kết quả lọc rất tốt và khắc phục được các gợn nhỏ và gai nhọn

ABSTRACT

Because of the growth of the economy, the rapid increase in electricity load caused huge pressure for the power sector, especially the rise of nonlinear loads in the power system and particularly in industry sector This is reason why the frequency sine waves are integer multiples of the basic frequency called harmonics The spread harmonics in the power system and cause adverse effects to the elements of the power system Therefore, "Solution for reducing the harmonics in electricity system of Steel plant in HCM City – case study" is necessary With the aim: to find solutions to reduce harmonics to an acceptable level for the power grid of the steel plant in Vietnam

After a period of research, the thesis had achived some following key issues:

- Study the theory of: (1) the cause of harmonics and the effects of harmonics on power systems; (2) Learn the standards related to harmonics

- Measure some parametters from Dang Khoa and Chau A steel Plant in Hoc Mon district, HCM city

- From the theory and measuring in the reallity to undertake research and offer solutions effectively minimize harmonics The solution is verified by simulation results using Matlab software and concluded as follows: (1) The simulation results showed positive filter designed to work very well, power lines source after the filter has a total distortion THD <5% (follow permission from IEEE standard 159-1992 and IEC 1000-3-4 std) (2) This approach, when combined with the compensating reactor will result

in very good filter and fix the small ripple and thorns

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh mục các từ viết tắt ix

Danh mục các bảng x

Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG

1.3.2.1 Các bộ biến đổi công suất ba pha dùng linh kiện điện tử công suất 11

1.3.2.2 Các thiết bị hồ quang 13

1.4 Ảnh hưởng của sự méo dạng sóng hài lên các phần tử của hệ thống điện 14

1.4.4 Ảnh hưởng lên các đường dây truyền thông, dụng cụ đo đếm điện năng,

2.2 Mô hình hóa lò nấu thép cảm ứng sử dụng mạch nghịch lưu cộng hưởng

2.2.2 Mô hình hóa lò nấu thép cảm ứng sử dụng mạch nghịch lưu cộng hưởng

3.1.1 Vai trò của việc nghiên cứu sóng hài 40

3.1.3 Giảm các dòng điện hài được sinh ra bởi phụ tải bằng cuộn cảm 42 3.1.4 Giảm các dòng điện hài được sinh ra bởi phụ tải bằng tổ đấu dây của máy

3.3 Giải pháp giảm thiểu sóng hài cho các công ty thép sử dụng lò cảm ứng 69

4.1 Phân tích số liệu sóng hài đo được của phụ tải thực tế tại nhà máy thép 70 4.1.1 Số liệu sóng hài đo tại Công ty TNHH MTV Thép Đăng Khoa, Xã

4.1.2 Số liệu sóng hài đo tại Công ty TNHH Sản Xuất - Thương Mại Thép

4.2 Xây dựng mô hình cho giải pháp đã chọn để tiến hành mô phỏng bằng phần

4.2.1.1 Tính chọn giá trị nguồn một chiều cấp cho nghịch lưu 74

4.2.2 Mô hình hóa bộ lọc AF bằng phần mềm Matlab/Simulink 80

4.2.3 Ứng dụng hệ mờ điều khiển bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng 82

4.2.3.2 Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulik khi sử dụng bộ điều

4.3.1 Đánh giá và so sánh kết quả khi thêm bộ lọc tích cực sử dụng hệ mờ 88 4.3.2 So sánh kết quả khi thêm bộ lọc tích cực sử dụng hệ mờ với điều khiển bộ lọc tích cực bằng phương pháp điều khiển theo vecto không gian 91

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

- ASD (Adjustabe Speed Drive): Bộ điều chỉnh tốc độ

- ANSI (American National Standards Institute): Tiêu chuẩn kỹ thuật, Mỹ

- Cap (Capacitor): Tụ điện

- CENLEC (European Committee for Electrotechnical Standardization): Ủy ban châu

âu về tiêu chuẩn hóa kỹ thuật điện

- CSI (Current Source Inverter): Bộ nghịch lưu kiểu nguồn dòng

- EMC (Electromagnetic Compatibility): Khả năng tương thích điện từ

- ENs (European Standards) : Các tiêu chuẩn của Châu âu

- Filt (Filter): Bộ lọc

- Fund (Fundamental): Cơ bản

- GTO (Gate Turn Off): Linh kiện bán dẫn công suất Thyristor có điều khiển đóng hoặc

ngắt bằng dòng điện xung dương hoặc âm kích cổng

- Harm (Hamornic): Sóng hài

- IEC (International Electrotechnical Commission): Hội đồng kỹ thuật điện quốc tế

- IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers): Viện kỹ sư điện - điện

tử, Mỹ

- L-L (Line - Line): Pha-pha

- PCC (Point of Common Coupling): Điểm kết nối chung

- PWM (Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung

- RMS (Root Mean Square): Trị hiệu dụng

- SCR (Silicon Controlled Rectifier): Linh kiện bán dẫn công suất Thyristor có điều

khiển đóng bằng dòng điện xung dương kích cổng, không kích ngắt

- SMPS (Switch-Mode Power Supply): Bộ nguồn một chiều dạng xung

- TDD (Total Demand Distortion): Méo dạng nhu cầu tổng

- THD (Total Harmonic Distortion): Méo dạng sóng hài toàn phần

- VSI (Voltage Source Inverter): Bộ nghịch lưu kiểu nguồn áp.

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Ví dụ việc đánh giá thông số của tụ 16

Bảng 1.2 Các giá trị P EC-R của các máy biến áp tiêu biểu 18

Bảng 1.3 Độ biến dạng sóng hài điện áp 21

Bảng 1.4 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ biến (từ 120V đến 69.000V) 21

Bảng 1.5 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ biến (từ 69.001V đến 161.000V) 22

Bảng 1.6 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống truyền tải (>161.000V) 22

Bảng 1.7 Các mức giới hạn méo dạng điện áp theo tiêu chuẩn IEEE519-1992 23

Bảng 1.8 Giới hạn phát sinh dòng hài cho thiết bị theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-4 24

Bảng 2.1 So sánh hiệu suất và việc cung cấp điện cho lò nấu thép cảm ứng 28

Bảng 2.2 Tỷ lệ các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn 38

Bảng 3.1 Gía trị méo dạng tối đa theo % tổng trở của cuộn kháng 43

Bảng 4.1 Bảng luật hợp thành 85

Bảng 4.2 Tỷ lệ thành phần sóng điều hòa của dòng điện nguồn pha A trước và sau khi có bộ lọc AF tác động sử dụng điều khiển mờ 88

Bảng 4.3 Tỷ lệ thành phần sóng điều hòa của dòng điện nguồn pha A trước và sau khi có bộ lọc AF tác động sử dụng điều khiển Fuzzy 90

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các kết quả thăm dò về nguyên nhân làm xấu chất lượng điện năng 2

Hình 1.2 Cách xác định điểm kết nối chung dựa vào số phụ tải 8

Hình 1.3 Dòng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang dùng tăng phô từ 10

Hình 1.4 Dòng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang dùng tăng phô điện tử 10

Hình 1.5 Cấu tạo bộ nguồn dạng xung 10

Hình 1.6 Dòng điện và phổ hài của bộ nguồn dc dạng xung 11

Hình 1.7 Dòng điện và phổ hài của bộ ASD dạng CSI 12

Hình 1.8 Dòng điện và phổ hài của bộ ASD dạng PWM 12

Hình 1.9 Mạch tương đương của thiết bị hồ quang 13

Hình 1.10 Đặc tính từ hóa của máy biến áp 13

Hình 1.11 Dòng điện từ hóa của máy biến áp và phổ hài tương ứng 14

Hình 1.12 Dòng điện của tụ điện khi xảy ra cộng hưởng với hài bậc 11 15

Hình 1.13 Sự liên kết cảm ứng của dòng điện dư của hệ thống điện đối với mạng điện thoại 19

Hình 1.14 Hướng đi của các dòng hài 20

Hình 2.1 Cấu tạo chung của lò nấu thép cảm ứng 26

Hình 2.2 Mạch lò cảm ứng song song 27

Hình 2.3 Mạch cấp điện cho tải lò nấu thép cảm ứng 29

Hình 2.4 Mô hình hệ thống cung cấp điện lò nấu thép cảm ứng trên phần mềm Matlab/Simulink 30

Hình 2.5 Nguồn cung cấp ba pha ba dây 30

Hình 2.6 Khối chỉnh lưu có điều khiển 31

Hình 2.7 Khối nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng 31

Hình 2.8 Khối lò nấu thép cảm ứng 32

Hình 2.9 Khối phát xung điều khiển 33

Hình 2.10 Giản đồ xung kích điều khiển bộ nghịch lưu cộng hưởng 34

Hình 2.11 Khối đo lường và hiển thị 34

Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện tại các điểm đo trên sơ đồ mô phỏng lò cảm ứng 37

Hình 2.13 Phổ tín hiệu dòng điện pha A ứng với Lt=108,4 µH 38

Hình 3.1 Mức độ méo dạng dòng điện theo điện kháng Z của cuộn kháng 43

Hình 3.2 So sánh độ méo dạng của hai trường hợp có và không có cuộn kháng 3% đối với nhiều dung lượng khác nhau của bộ ASD 44

Hình 3.3 Kết hợp 2 bộ ASD 6-xung với 2 máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau để tạo ra hiệu ứng 12-xung để loại bỏ các hài bậc 5 và bậc 7 45

Hình 3.4 Máy biến áp đấu dây kiểu ZigZag để dẫn các hài thứ tự không ra khỏi hệ thống 45

Hình 3.5 Cấu tạo các bộ lọc thụ động phổ biến 47

Hình 3.6 Một pha của bộ lọc ba pha điển hình được bao kín bằng kim loại 48

Hình 3.7 Bộ lọc tiêu biểu cho các ứng dụng trong công nghiệp 48

Hình 3.8 Tạo một bộ lọc hài bậc 5 và ảnh hưởng của chúng lên đáp ứng của hệ thống 49

Hình 3.9 Cấu tạo của bộ lọc thụ động nối tiếp điển hình 51

Hình 3.10 Cấu tạo của bộ lọc thông thấp dải rộng điển hình 51

Hình 3.11 Ứng dụng bộ lọc thông thấp dải rộng trong hệ thống điện công nghiệp 52 Hình 3.12 Cấu tạo của bộ lọc thông thấp dải rộng ba pha điển hình 53

Hình 3.13 Bộ lọc thông thấp dải rộng thương mại 600 V điển hình 54

Hình 3.14 Cấu tạo của bộ lọc C điển hình và đáp ứng tần số của chúng 55

Hình 3.15 Mạch tương đương của bộ lọc C 56

Hình 3.16 Đáp ứng tần số của bộ lọc C với các mức dòng hài tối đa (10%, 30% và 50%) được phép chạy vào hệ thống tại tần số hT=5,5 57

Hình 3.17 Đáp ứng tần số của bộ lọc C ứng với hai trường hợp có và không có sự kết

hợp với bộ lọc notch 59

Hình 3.18 Ứng dụng điển hình của bộ lọc tích cực 59

Hình 3.19 Các dạnh hàm liên thuộc thông dụng 61

Hình 3.20 Bộ điều khiển mờ cơ bản 62

Hình 3.21 Ví dụ về một bộ đồ điều khiển mở động 62

Hình 3.22 Miền giá trị 62

Hình 3.23 Hàm liên thuộc biến nhiệt sai 63

Hình 3.24 Phép hợp hai tập mờ 64

Hình 3.25 Phép giao hai tập mờ 65

Hình 3.26 Tổng hợp theo động cơ suy diễn 67

Hình 3.27 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 68

Hình 3.28 Bộ điều khiển mờ MIS 68

Hình 3.29 Nguyên lý điều khiển mờ 68

Hình 4 1 Phổ hài điện áp và hài dòng điện đo được tại công ty thép Duy anh 71

Hình 4.2 Phổ hài điện áp và hài dòng điện đo được tại công ty thép Tiến bộ 72

Hình 4.3 Cấu trúc tổng quát của toàn bộ lò nấu thép cảm ứng có bộ lọc AF 74

Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực AF 77

Hình 4.5 Sơ đồ mạch điện và đặc tính pass filter 78

Hình 4.6 Sơ đồ mạch điện LPF 78

Hình 4.7 Phương pháp điều chế PWM 80

Hình 4.8 Mô hình khâu tách dòng điện dài BPF 80

Hình 4.9 Mô hình khâu lọc thông thấp LPF 81

Hình 4.10 Mô hình khâu điều khiển 81

Hình 4.11 Mô hình khâu nghịch lưu AF 82

Hình 4.12 Mờ hóa biến ngôn ngữ e 83

Hình 4.13 Mờ hóa biến ngôn ngữ de 83

Hình 4.14 Mờ hóa biến ngôn ngữ u 84

Hình 4.15 Quan hệ giữa u theo e và de 85

Hình 4.16 Sơ đồ tổng quát của hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ 86

Hình 4.17 Phổ tín hiệu điện áp pha A (thanh cái B1) 87

Hình 4.18 Phổ tín hiệu dòng điện pha A (thanh cái B1) 87

Hình 4.19 Dòng điện tải ilA và dòng điện nguồn isA 89

Hình 4.20 Phổ tín hiệu của dòng điện sau điểm nối chung thanh cái B1 và B2 89

Hình 4.21 Điều khiển bộ lọc theo phương pháp vectơ không gian 91

Hình 4.22 Điều khiển bộ lọc mờ 91

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI 1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng

1.1.1 Định nghĩa chất lượng điện năng

Có thể có nhiều định nghĩa khác nhau về chất lượng điện năng tùy thuộc vào quan điểm của mỗi người Ví dụ, các Công ty điện lực có thể định nghĩa chất lượng điện năng là độ tin cậy cung cấp điện và thể hiện bằng phần trăm độ tin cậy, chẳng hạn như 99,98% Các nhà sản xuất thiết bị dùng điện có thể định nghĩa chất lượng điện năng là những đặc tính của nguồn cung cấp mà cho phép thiết bị làm việc một cách đúng đắn Những đặc tính này có thể là rất khác nhau đối với các tiêu chí khác nhau Tuy nhiên, sau cùng thì định nghĩa về chất lượng điện năng được đưa ra bởi chính ý kiến của khách hàng dùng điện Định nghĩa này như sau:

“Bất kỳ sự cố nào xảy ra trên hệ thống điện mà làm cho điện áp, dòng điện hoặc tần

số bị sai lệch dẫn đến tải của khách hàng bị hỏng hoặc không vận hành”

Có nhiều nguyên nhân gây ra các vấn đề chất lượng điện năng Biểu đồ trên hình 1.1 cho thấy các nguyên nhân làm xấu chất lượng điện năng qua thăm dò của Công ty điện lực Georgia ở Hoa kỳ, biểu đồ cho thấy cả Công ty điện lực và khách hàng tiêu thụ điện đều tham gia vào việc gây ra các vấn đề chất lượng điện năng

Hình 1.1 Các kết quả thăm dò về các nguyên nhân làm xấu chất lƣợng điện năng Nếu năng lƣợng điện là không thỏa đáng đối với những yêu cầu của tải, thì có nghĩa là “chất lƣợng” xấu

1.1.2 Chất lƣợng điện năng = chất lƣợng điện áp

Thuật ngữ phổ biến để mô tả các vấn đề xấu của hệ thống điện là chất lƣợng điện năng; Tuy nhiên, thực ra chất lƣợng điện áp đƣợc chú tâm trong hầu hết các tình huống Về mặt kỹ thuật, trong các thuật ngữ chuyên ngành, công suất là tốc độ phân phối năng lƣợng và tỷ lệ với tích của điện áp và dòng điện Thật khó định nghĩa “chất lƣợng” cho đại lƣợng này với đầy đủ ý nghĩa Hệ thống cung cấp điện năng có thể chỉ điều khiển chất lƣợng của điện áp; không điều khiển trên dòng điện Vì vậy, các tiêu chuẩn trong lĩnh vực chất lƣợng điện năng đƣợc dành hết cho việc duy trì điện áp cung cấp nằm trong các giới hạn cho phép

1.2 Tổng quan về sóng hài

Khi các bộ biến đổi công suất dùng linh kiện điện tử công suất trở nên phổ biến đầu tiên vào cuối thập niên 70 của thế kỷ 20, rất nhiều kỹ sƣ của các công ty điện lực trở nên khá quan tâm về khã năng của hệ thống điện để thích ứng với sự méo dạng sóng hài Nhiều sự tiên đoán kinh khủng đã đƣợc đƣa ra cho số phận của hệ thống điện nếu những thiết bị này đƣợc chấp nhận để tồn tại Trong khi một vài mối quan tâm trong những quan tâm này có thể đã đƣợc phóng đại, tuy nhiên lĩnh vực phân tích chất

lượng điện năng chịu ơn lớn đối với những nguời này bởi vì những quan tâm của họ đã

đi trước trong vấn đề mới về sóng hài đã khuấy động việc nghiên cứu mà cuối cùng đã cho ra các kiến thức về tất cả các khía cạnh về chất lượng điện năng

Các vấn đề về sóng hài thì chống lại các nguyên tắc thiết kế cổ điển và vận hành

hệ thống điện mà chỉ quan tâm đến tần số cơ bản Vì thế, các kỹ sư phải đối mặt với hiện tượng không quen thuộc mà đòi hỏi những công cụ mới để phân tích và thiết bị mới để giải quyết vấn đề này Bộ phận sử dụng đầu cuối thì chịu các vấn đề về họa tần nhiều hơn bộ phận cung cấp điện Các hộ công nghiệp với các bộ điều chỉnh tốc độ, lò

hồ quang, lò cảm ứng, và tương tự là nơi phát sinh hài đáng quan tâm nhất

Sự méo dạng hài thì không phải là hiện tượng mới trên các hệ thống điện Mối quan tâm đối với sự méo dạng đã giảm dần và đã trải qua một khoảng thời gian trong lịch sử của các hệ thống điện xoay chiều Lướt qua các tài liệu kỹ thuật của những năm

30 và 40 của thế kỷ 20, có nhiều bài báo quan tâm về chủ đề này May thay, chúng ta

đã thấy được trong nhiều năm rằng, nếu hệ thống được phân cở hợp lý để điều khiển nhu cầu công suất của phụ tải, thì xác xuất mà các hài sẽ làm phát sinh sự cố nguy hiểm đối với hệ thống điện là thấp, mặc dầu chúng có thể cho ra các sự cố đối với các

kỹ thuật truyền thông

1.2.1 Khái niệm 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 hóa sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao

1.2.2 Hiệu ứng sóng hài

Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới

sự cộng hưởng cơ khí và gây rung Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp

có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data network) và thiết bị đo cho kết quả sai

1.2.3 Dòng hài

Dòng điện và điện áp hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống phân phối điện Toàn bộ các bộ biến đổi năng lượng điện sử dụng dưới các dạng khác nhau trong hệ thống điện có thể làm tăng nhiễu sóng hài bằng cách bơm trực tiếp dòng điện hài vào lưới Các tải phi tuyến thông thường bao gồm khởi động động cơ, các hệ truyền động điện, máy tính và các thiết bị điện tử khác, đèn điện tử, nguồn hàn

1.2.4 Tác hại của sóng hài

Hệ thống lưới điện có thể bị gây hại bởi nhiều tác nhân, trong đó một nguy cơ tiềm ẩn làm cản trở hoạt động và làm hao mòn thiết bị nhưng ít người nhận biết được chính là sóng hài - mối nguy cơ tiềm ẩn được phát hiện ngay đầu thập niên 1890

Sóng hài và mức độ ảnh hưởng: Sóng hài là dòng điện không mong muốn làm quá tải đường dây và biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc thậm chí gây hỏa hoạn)

và gây nhiễu lên lưới điện Trong trường hợp chạy nhiều động cơ cùng lúc, nếu không

có biện pháp kiểm soát sóng hài có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) và làm máy ngừng chạy (do nguồn bị quá tải)

Nếu phải thay thế thiết bị hư hỏng nguyên nhân gây ra do sóng hài, điều này có thể làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% và kinh phí vận hành đến 10% Trong ngành công nghiệp, bảo vệ lợi nhuận là ưu tiên hàng đầu, kiểm soát được thiết bị và kinh phí vận hành là nhân tố quan trọng Muốn đạt được mục tiêu này các doanh nghiệp, tổ chức cần lưu tâm và làm tốt công tác hạn chế tác hại của sóng hài Tác hại của sóng hài với lưới điện: Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hư

hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ; làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi Các sóng điều hòa bậc cao còn có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS đồng thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA dẫn đến làm năng tổn thất điện năng

Ngoài ra, sóng hài còn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch Nguy hại hơn, các sóng điều hòa bậc cao còn

có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ; làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng

bị chập chờn ảnh hưởng đến con người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng

1.2.5 Các đại lượng biểu thị cho sóng hài

Có một vài đại lượng phổ biến được dùng để biểu thị cho thành các phần hài của

một dạng sóng là độ méo dạng hài toàn phần (THD) và độ méo dạng nhu cầu tổng, mà

có thể được tính cho điện áp hoặc dòng điện:

1.2.5.1 Độ méo dạng hài toàn phần

1 1 2

max

M

M THD

h

h h





Với M h là trị hiệu dụng của thành phần hài bậc h của đại lượng M THD là thước đo giá

trị hiệu dụng (giá trị thực) của các thành phần hài của một dạng sóng méo dạng Trị hiệu dụng của một dạng sóng méo dạng không phải là tổng của các thành phần độc lập,

mà là căn bậc 2 của tổng các bình phương THD có quan hệ với trị hiệu dụng của một

dạng sóng như sau:

2 1

M RMS

THD là đại lượng rất hữu ích cho nhiều áp dụng, nhưng các giới hạn của chúng

phải được nhận ra Chúng cung cấp một sự hình dung lý tưởng rằng có bao nhiêu nhiệt thêm vào sẽ được nhận dạng khi một điện áp méo dạng đặt vào một tải trở Như thế, chúng có thể cho ra một sự biểu thị các tổn thất thêm vào được gây ra bởi dòng điện chạy qua vật dẫn Tuy nhiên, chúng không phải là đại lượng biểu thị tốt cho hiệu ứng điện áp trong tụ điện bởi vì chúng liên quan với giá trị đỉnh của dạng sóng điện áp chứ không phải giá trị tăng nhiệt của chúng

Các điện áp hài hầu hết thường được tham chiếu với giá trị cơ bản của dạng

sóng tại thời điểm lấy mẫu Bởi vì điện áp biến đổi chỉ một vài phần trăm, THD điện áp

thì hầu như luôn luôn là một con số đầy ý nghĩa Điều này thì không xét cho dòng điện

Một dòng điện nhỏ có thể có THD cao, nhưng không đe dọa đến hệ thống

1.2.5.2 Độ méo dạng nhu cầu tổng

Các mức độ méo dạng dòng điện có thể được đặc trưng bằng giá trị THD như đã

đề cập bên trên nhưng điều này thường làm cho hiểu sai Một dòng điện nhỏ có thể có

THD cao nhưng không đe dọa đáng kể đến hệ thống Ví dụ như, nhiều bộ điều chỉnh tốc độ thì có các giá trị THD cao đối với dòng ngõ vào khi chúng hoạt động non tải Không cần phải quan tâm về điều này bởi vì biên độ của dòng hài là thấp mặc dù THD

của chúng là cao

Một vài người phân tích đã tránh dùng THD mà thay vào đó là TDD TDD được

dùng trong tiêu chuẩn IEEE 519-1992 Chúng được xác định như sau:

L

h

h h I

I TDD

(1.3)

I L là dòng điện nhu cầu đỉnh hoặc cực đại của tải tại tần số cơ bản tại điểm kết

nối phụ tải vào hệ thống (PPC) Có hai cách để có I L Với phụ tải đã tồn tại trong hệ

thống thì có thể tính I L = trung bình của dòng nhu cầu cực đại trong một năm Phép tính này thực hiện đơn giản bằng cách lấy trung bình chỉ số dòng điện nhu cầu đỉnh trong

12 tháng Đối với một nhà máy mới thì I L có thể được ước lượng dựa vào sự tiên đoán chế độ hoạt động của tải

1.2.6 Khái niệm điểm kết nối chung

Việc đánh giá sự méo dạng hài thường được thực hiện tại một điểm giữa hộ dùng điện hoặc khách hàng và hệ thống của điện lực ở nơi mà khách hàng khác cũng

có thể được cấp điện Điểm này được hiểu là điểm kết nối chung

Điểm kết nối chung này có thể được định tại hoặc là phía sơ cấp hoặc là phía thứ cấp của máy biến áp phụ thuộc vào máy biến áp đó có cung cấp cho nhiều khách hàng hay không Nói theo cách khác, nếu nhiều khách hàng được cấp điện từ phía sơ cấp của máy biến áp thì PCC được xác định tại phía sơ cấp Ngược lại, nếu nhiều khách hàng được cấp điện từ phía thứ cấp của máy biến áp thì PCC được xác định tại phía thứ cấp Hình 1.5 minh họa hai khả năng này Chú ý rằng, khi phía thứ cấp của máy biến áp là PCC thì các phép đo dòng điện có thể vẫn được thực hiện tại phía thứ cấp Các kết quả của phép đo phải được qui về phía sơ cấp của máy biến áp bằng tỷ số biến áp và tác dụng của tổ đấu dây của máy biến áp lên các thành phần thứ tự không phải được xem xét Ví dụ như, máy biến áp đấu tam giác sẽ không cho phép các thành phần dòng thứ tự không chạy vào hệ thống từ phía thứ cấp sang phía sơ cấp Những thành phần phía thứ cấp này sẽ được giữ lại trong cuộn tam giác sơ cấp Vì thế các thành phần thứ tự không (là các thành phần hài bội 3 cân bằng) đo được ở phía thứ cấp

sẽ không nằm trong sự đánh giá đối với PCC ở phía sơ cấp

Hình 1.2 Cách xác định điểm kết nối chung dựa vào số phụ tải; (a) PCC phía sơ cấp

của MBA, (b) PCC phía thứ cấp của MBA

1.3 Nguồn gốc phát sinh sóng hài

Ngày nay, với sự gia tăng của các thiết bị điện tử công suất thì vấn đề sóng hài trở nên nghiêm trọng hơn trong lĩnh vực chất lượng điện năng Bởi vì các ưu điểm về điều khiển và tiết kiệm năng lượng của các thiết bị điện tử công suất nên chúng ngày càng được ứng dụng rộng rải, đặc biệt là các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu Và sau đây là một số phụ tải phát sinh hài trong công nghiệp cũng như trong thương mại

1.3.1 Các phụ tải phát sinh hài trong thương mại

Các thiết bị trong các tòa nhà thương mại, các kho lưu trữ, bệnh viện hầu hết là các đèn huỳnh quang dùng tăng phô điện tử, bộ điều chỉnh tốc độ của các tải (nhiệt, thông gió, điều hào, thang máy ) Tùy thuộc vào từng loại tải mà các hài được sinh ra khác nhau Các hài này có thể chạy vào hệ thống hoặc có thể triệt tiêu lẫn nhau Như vậy điện áp của nguồn sẽ bị méo và độ méo tùy thuộc vào trở kháng của hệ thống và

mức độ các hài bơm vào hệ thống

Một mối quan tâm chính trong các tòa nhà thương mại là các bộ nguồn cung cấp cho thiết bị điện tử một pha sẽ sản sinh khá nhiều dòng hài đối với mạng điện của tòa nhà Nguồn DC cho thiết bị văn phòng mà dựa trên điện tử và vi xử lý hiện đại thì

Hệ thống

Hệ thống

Phụ tải Phụ tải khác

PCC

thường được cấp nguồn từ các bộ chỉnh lưu cầu đi ốt toàn kỳ một pha Phần trăm phụ tải mà có các bộ nguồn điện tử thì tăng với một tốc độ nhanh chóng với việc sử dụng các máy tính cá nhân ngày càng tăng trong mỗi bộ phận thương mại Nói chung các hài được sinh ra từ tải phi tuyến trong thương mại là như sau:

1.3.1.1 Đèn huỳnh quang

Chiếu sáng chiếm 40% đến 60% công suất tiêu thụ cho các phụ tải dạng thương mại và có đến 77% thiết bị chiếu sáng là đèn huỳnh quang Đèn huỳnh quang hoạt động dựa vào nguyên tắc tạo điện áp cao ban đầu giữa hai điện cực của đèn để sinh ra hiện tượng phóng điện Khi hiện tượng phóng điện hình thành, điện áp giữa hai điện cực giảm xuống và dòng phóng điện tăng lên và sau đó nhanh chóng giảm xuống giá trị định mức Do vậy mà các hài được sinh ra Hiện nay có hai dạng tăng phô là loại điện

từ và loại điện tử Loại từ hoạt động ở tần số cơ bản và lõi từ là thành phần gây tổn thất điện năng Loại điện tử hoạt động ở dạng đóng ngắt và chuyển tần số cơ bản về tần số

từ 25 đến 40 kHz Hình 1.3 và hình 1.4 cho thấy dòng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang Khi dùng tăng phô từ thì THD là 15%, trong khi đó nếu là tăng phô điện tử thì bằng 10% đến 32% Hầu hết các tăng phô điện tử có trang bị một bộ lọc thụ động để làm giảm méo dạng dòng ngõ vào xuống còn 20%

1.3.1.2 Các bộ điều chỉnh tốc độ

Trong các tòa nhà thương mại luôn tồn tại các phụ tải dạng quay: Thang máy, thông gió, điều hòa nhiệt độ Đối với các tải này luôn có các bộ điều chỉnh tốc độ sử dụng phương pháp chỉnh lưu và nghịch lưu để thay đổi điện áp và tần số nhằm điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải này

Thời gian (ms) Tần số (Hz)

Hình 1.3 Dòng điện (1.3a) và phổ hài (1.3b) của đèn huỳnh quang dùng tăng phô từ

Thời gian (ms) Tần số (Hz)Hình 1.4 Dòng điện (1.4a) và phổ hài (1.4b) đèn huỳnh quang dùng tăng phô điện tử

1.3.1.3 Các bộ nguồn một pha

Có hai loại bộ nguồn một pha phổ biến điễn hình là:

a Các công nghệ củ hơn dùng các phương pháp điều khiển điện áp phía ac chẳng hạn

như các máy biến áp, để giảm các điện áp xuống mức cần thiết cho bus dc Điện cảm của máy biến áp cung cấp một tác dụng có lợi bằng cách làm phẳng dạng sóng dòng điện ngõ vào làm giảm thành phần hài

Hình 1.5 Cấu tạo bộ nguồn một pha dạng xung

b Công nghệ mới hơn, các bộ nguồn dạng xung (hình 1.5) sử dụng kỹ thuật biến đổi

dc/dc để đạt được ngõ ra dc phẳng với các phần tử nhỏ gọn Cầu đi ốt ngõ vào được nối trực tiếp với nguồn ac Điều này làm cho điện áp dc được điều chỉnh thô trên tụ điện Điện áp dc này được biến đổi ngược lại thành ac bằng bộ đóng ngắt và tiếp theo chúng được chỉnh lưu lại một lần nữa Các máy tính cá nhân, máy in, máy phô tô và hầu hết

Chuyển mạch

và điều khiển

thiết bị điện tử một pha khác hiện nay đều dùng các bộ nguồn dạng xung kiểu này Các

ưu điểm nổi bật của chúng là nhẹ, gọn, họat động hiệu quả và không cần máy biến áp

Bởi vì không có cảm kháng lớn phía ac, dòng điện ngõ vào của bộ nguồn đi vào

dạng các xung cực ngắn do tụ điện C 1 , bù lại sự nạp điện của nó trên mỗi nửa chu kỳ Hình 1.6 minh họa dạng sóng và phổ dòng điện đối với mạch điện cung cấp cho một số

thiết bị điện tử với các bộ nguồn dạng xung (SMPS)

Thời gian (ms) Tần số (Hz)

Hình 1.6 Dòng điện và phổ hài của bộ nguồn dc dạng xung

1.3.2 Các phụ tải phát sinh hài trong công nghiệp

Hầu hết các tải công nghiệp hiện đại là phi tuyến Chính các tải này tạo ra các hài và chúng chạy vào hệ thống gây ra méo dạng điện áp Điều này cũng là một trong những nguyên nhân làm giảm hệ số công suất Trong công nghiệp người ta thường dùng các tụ điện để cải thiện hệ số công suất Tuy nhiên, việc dùng tụ này có khã năng khuếch đại dòng hài và cũng làm tăng hiện tượng cộng hưởng Mức méo dạng điện áp cao nhất thường xuất hiện tại các thanh cái hạ áp của các khách hàng, mà ở đó có lắp tụ

bù Các điều kiện cộng hưởng làm quá nhiệt máy biến áp và mô tơ và làm cho các thiết

bị điện tử nhạy cảm hoạt động sai.Các phụ tải phi tuyến công nghiệp có thể phân thành

3 nhóm phổ biến như sau:

1.3.2.1 Các bộ biến đổi công suất ba pha dùng linh kiện điện tử công suất

Các bộ biến đổi công suất ba pha phần lớn không giống với các bộ biến đổi một pha bởi vì chúng không phát sinh các dòng hài bậc ba Đây là ưu điểm lớn bởi vì đó là

thành phần lớn nhất Tuy nhiên, chúng có thể vẫn là các nguồn hài đáng kể tại các tần

số tiêu biểu của chúng, như hình 1.7 Đây là loại ASD kiểu nguồn dòng điển hình

Phổ hài được cho trong hình 1.7 cũng sẽ là tiêu biểu cho dòng ngõ vào điều khiển động cơ dc Các bộ điều khiển nghịch lưu nguồn áp (chẳng hạn như các bộ điều khiển dạng điều chế độ rộng xung PWM) có thể có các mức méo dạng cao hơn nhiều như hình 1.8

Thời gian (ms) Tần số (Hz) Hình 1.7 Dòng điện và phổ hài của bộ ASD dạng CSI Ngõ vào dẫn tới bộ điều chế PWM được thiết kế tổng quát giống kiểu một bộ nguồn dạng xung ba pha trong các máy tính Bộ chỉnh lưu nhận nguồn trực tiếp từ bus

ac và dẫn tới một tụ điện lớn trên bus dc Với cảm kháng dự kiến là không đáng kể, tụ được nạp trong các xung rất ngắn tạo nên dạng sóng dòng điện phía ac dạng “tai thỏ -rabbit ear ” đặc biệt với sự méo dạng rất cao Trong khi các bộ nguồn dạng xung thì phổ biến cho các tải nhỏ, các bộ PWM thì hiện tại được dùng cho các phụ tải đến 500

hp Đây là một nguyên nhân hợp lý đối với mối quan ngại từ các kỹ sư điện

Hình 1.8 Dòng điện và phổ hài của bộ ASD dạng PWM

1.3.2.2 Các thiết bị hồ quang

Danh mục này bao gồm các lò hồ quang, các máy hàn hồ quang, và đèn loại phóng điện (huỳnh quang, hơi sodium, hơi mercury) với các tăng phô (đúng hơn là điện tử) Như thấy trong hình 1.9, hồ quang cơ bản là một kẹp điện áp mắc nối tiếp với một cảm kháng mà giới hạn dòng điện đến giá trị hợp lý Đặc tuyến V-A của các hồ quang điện là phi tuyến Theo sau sự phóng hồ quang, điện áp giảm khi dòng hồ quang tăng, được ngăn cản duy nhất bởi tổng trở của hệ thống điện Điều này làm cho hồ quang có điện trở âm đối với một phần của chu kỳ hoạt động của chúng

1.3.2.3 Các thiết bị bão hòa

Thiết bị trong danh mục này bao gồm các máy biến thế và các thiết bị điện từ khác có lõi thép, kể cả các động cơ Các hài được sinh ra bởi các đặc tính từ hóa phi tuyến của sắt (hình 1.10) Các máy biến áp lực được thiết để để hoạt động chỉ phía dưới điểm “khuỷu” của đặc tuyến bảo hòa từ hóa

Dòng điện

Mặc dù dòng từ hóa của máy biến áp thì phong phú về các hài tại điện áp vận hành bình thường (hình 1.11), chúng thường nhỏ hơn 1% dòng đầy tải định mức Các máy biến áp thì không lo ngại nhiều bằng các bộ chuyển đổi công suất điện tử và các thiết bị phóng hồ quang, mà có thể sản sinh các hài đến 20% dòng danh định của chúng hoặc cao hơn Tuy nhiên, các tác động của chúng sẽ đáng chú ý, đặc biệt trên các hệ thống phân phối của các công ty điện lực, mà có hàng trăm máy biến áp

Thời gian (s) Tần số (Hz) Hình 1.11 Dòng từ hóa và phổ hài của máy biến ápThường chú ý sự tăng đáng kể các dòng hài bội ba trong các giờ sáng sớm khi

tải là thấp và điện áp tăng Một vài máy biến áp được vận hành có mục đích trong vùng bão hòa Một ví dụ là máy biến áp triplen dùng để sinh ra tần số 180 Hz cho các

lò cảm ứng Các động cơ cũng cho thấy một vài sự méo dạng dòng điện khi quá kích

từ

1.4 Ảnh hưởng của sự méo dạng sóng hài lên các phần tử của hệ thống điện

Các dòng điện hài được sinh ra bởi các phụ tải phi tuyến thì chạy ngược vào các

hệ thống cung cấp điện Những dòng điện này có thể tương tác bất lợi với nhiều thiết bị của hệ thống, phổ biến nhất là các tụ điện, máy biến áp và mô tơ Chúng gây ra các tổn thất phụ, quá nhiệt và quá tải Ngoài ra chúng cũng có thể gây nhiễu các đường dây truyền thông, làm cho các thiết bị điện tử nhạy cảm hoạt động sai và làm sai số các thiết bị đo đếm điện năng Sau đây sẽ trình bày chi tiết về các tác hại này

1.4.1 Ảnh hưởng lên tụ điện

Các sự cố liên quan đến sóng hài thường thấy trước hết là tại các nhánh tụ, nhánh tụ chịu méo dạng điện áp ở mức cao trong suốt thời gian cộng hưởng Dòng điện chạy vào nhánh tụ thì chứa nhiều hài có giá trị khá lớn Hình 1.12 cho thấy dạng sóng dòng điện của nhánh tụ khi cộng hưởng với hệ thống tại hài bậc 11 Khi trường hợp này xảy ra thì dòng hiệu dụng chạy vào tụ điện thường cao hơn dòng hiệu dụng danh định của tụ điện

Tiêu chuẩn IEEE 18-1992 qui định các mức giới hạn cho tụ điện như sau:

 135% dung lượng danh định của tụ

 110% điện áp hiệu dụng danh định của tụ (bao gồm các áp hài)

 180% dòng danh định của tụ (bao gồm các dòng hài)

 120% điện áp đỉnh (bao gồm các áp hài)

Bảng 1.1 tóm tắt một ví dụ về sự đánh giá các mức giới hạn của tụ điện so với các giá trị tiêu chuẩn sử dụng phần mềm máy tính Dòng đầy tải cơ bản của nhánh tụ

1200 kvar được xác định bằng:

A kV

k I

LL

8,133

12003

Thời gian (ms) Hình 1.12 Dòng điện của tụ điện khi xảy ra cộng hưởng với hài bậc 11

1.4.2 Ảnh hưởng lên các máy biến áp

Các máy biến áp được thiết kế để cung cấp công suất cần thiết cho các phụ tải với các tổn thất nhỏ nhất tại tần số cơ bản Sự méo dạng hài dòng điện, nói riêng, cũng như điện áp sẽ góp phần đáng kể tới sự tăng nhiệt phụ Việc thiết kế máy biến áp để thích hợp với các tần số cao hơn, thì các người thiết kế đưa ra các chọn lựa thiết kế

khác nhau chẳng hạn như dùng cáp xoắn liên tục thay vì dùng vật dẫn đặt và bố trí nhiều rảnh làm mát hơn Như là một qui luật chung, nếu dòng điện của máy biến áp bị méo dạng vượt 5% thì máy biến áp này là đối tượng của sự giảm tải bởi sóng hài Có

ba ảnh hưởng mà làm cho nhiệt độ của máy biến áp tăng lên khi dòng tải chứa các thành phần hài: Dòng hiệu dụng, Các tổn thất dòng điện xoáy, Các tổn thất sắt từ

Các hướng dẫn đối với việc định lại dung lượng của máy biến áp được xác định chi tiết trong tiêu chuẩn ANSI/IEEE C57.110-1998 Các hướng dẫn này được áp dụng

để định lại dung lượng cho cho máy biến áp khi chúng cấp điện cho các phụ tải phi tuyến Hệ số K được dùng trong lĩnh vực chất lượng điện năng để xác định lại dung lượng máy biến áp thì cũng được cho trong bảng 1.2 của tiêu chuẩn trên Các bước phân tích trong bảng 1.2 của tiêu chuẩn trên có thể được tóm tắt như sau:

Tổn thất mang tải được cho rằng có hai thành phần sau: Tổn thất I 2 R và tổn thất dòng điện rò P EC:

)(

2

W P R I

Tổn thất I2R thì tỷ lệ trực tiếp với trị hiệu dụng của dòng điện Tuy nhiên, dòng điện xoáy thì tỷ lệ với bình phương của dòng điện và tần số, mà có thể xác định bằng:

2 2

h I K

h I I

Với P EC-R = hệ số tổn thất dòng điện xoáy trong các điều kiện định mức

Hệ số K thường được thấy trong các tài liệu về chất lượng điện năng liên quan

với việc định lại dung lựơng máy biến áp có thể được xác định theo các số hạng độc lập của các dòng hài như sau:

h I

Kế đến trị hiệu dụng của dòng điện bị méo dạng đƣợc suy ra từ:

)(1

1

2

pu P

K

P I

R EC

R EC h

Với: P EC-R = Hệ số tổn thất dòng điện xoáy, h = Bậc hài, I h = Dòng điện hài

Vì vậy, việc định lại dung lƣợng máy biến áp có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng cánh biết đƣợc hệ số tổn thất dòng điện xoáy (đơn vị là pu) Hệ số này có thể đƣợc xác định bằng:

 Có đƣợc hệ số này từ các nhà thiết kế máy biến áp

 Dùng các số liệu thí nghiệm máy biến áp và các thủ tục trong tiêu chuẩn ANSI/IEEE C57.110-1998

 Các giá trị tiêu biểu dựa vào loại và kích cở của máy biến áp (xem bảng 1.2)

Bảng 1.2 Các giá trị P EC-R của các máy biến áp tiêu biểu

ảnh hưởng của các dòng điện thứ tự nghịch tại tần số cơ bản: các từ thông bổ sung này thì làm tăng một ít các tổn thất cảm ứng bổ sung Hiệu suất giảm cùng với sự tăng

nhiệt, rung động, các nhiễu cao tần là các dấu hiệu của sự méo dạng điện áp hài

1.4.4 Ảnh hưởng lên các đường dây truyền thông, dụng cụ đo đếm điện năng, thiết

bị điều khiển và thiết bị điện tử nhạy cảm

Các dòng hài chạy trên hệ thống phân phối của điện lực hoặc trong các tòa nhà

sử dụng điện đầu cuối có thể tạo ra nhiễu trong các mạch viễn thông dùng đường dẫn chung Các điện áp cảm ứng trong các dây dẫn song song bởi các dòng hài phổ biến thì thường rơi vào băng tần của các sự truyền thông giọng nói bình thường Các hài nằm giữa 540Hz (hài bậc 9) và 1200Hz thường phá hủy nghiêm trọng nhất Điện áp cảm ứng trên mỗi ampe thì tăng theo tần số Các hài bội 3 (3, 9, 15) là đặc biết phức tạp trong các hệ thống 4 dây bởi vì chúng là cùng pha trong tất cả các dây dẫn của mạch 3 pha và vì vậy chúng cộng trực tiếp vào mạch trung tính, mà có ảnh hưởng lớn nhất đối với mạng viễn thông Các dòng hài trên hệ thống điện thì được liên kết với các mạng viễn thông bằng cánh hoặc là cảm ứng hoặc dẫn trực tiếp Hình 1.13 minh họa sự liên kết từ dây trung tính của đường dây phân phối trên không bằng sự cảm ứng

Hình 1.13 Sự liên kết cảm ứng của dòng điện dư của hệ thống điện

đối với mạng điện thoại Các dòng điện hài chạy vào hệ thống từ các phụ tải phi tuyến có thể làm ảnh hưởng đến độ chính xác của các đồng hồ đo đếm điện năng Đồng hồ hồ đo kiểu củ dựa vào nguyên lý của động cơ cảm ứng Bộ phận quay hoặc đĩa quay bên trong đồng

hồ thì có tốc độ tỷ lệ với luồng công suất Các đồng hồ kiểu cơ điện thì có sai số âm tại

Từ thông liên kết

Dây trung tính Dây truyền thông

các tần số hài Đó là chúng ghi nhận công suất thấp hơn nếu có mặt các dòng hài nếu chúng được cân chỉnh cho tần số cơ bản Sai số này càng tăng nếu tần số càng cao Nói chung, các phụ tải phi tuyến thì bơm các dòng hài vào hệ thống còn các phụ tải tuyến tính thì hấp thụ các dòng hài Điều này được minh họa trong hình 1.14

Hình 1.14 hướng đi của các dòng hài (a) phụ tải phi tuyến (b) phụ tải tuyến tính

Vì vậy đối với phụ tải phi tuyến thì đồng hồ sẽ đọc:

PĐo được = P1 – a3P3 – a5P5 – a7P7 - … (1.9)

Với an là các hệ số nhân (<1) mà chúng thể hiện độ sai số của đồng hồ đối với tần số Công suất đo được thì hơi cao hơn công suất tiêu thụ thực tế của tải bởi vì bộ đếm chưa trừ các công suất hài ra Tuy nhiên, những công suất hài này thì cung cấp cho các tổn thất của đường dây và của máy biến áp Vì vậy, khách hàng phát sóng hài vào hệ thống thì phải nộp một khoản tiền phụ do làm tăng các tổn thất trong hệ thống điện

1.5 Các tiêu chuẩn sóng hài

Có rất nhiều tổ chức khác nhau trên thế giới đã nghiên cứu và đưa ra các tiêu chuẩn để kiểm soát mức độ của sóng hài nhằm cải thiện chất lượng điện năng và hiệu quả sử sụng điện Mục đích chính của các tiêu chuẩn là cung cấp một nền tảng chung cho tất cả các thành phần liên quan để chúng có thể làm việc tương thích với nhau giữa thiết bị đầu cuối và thiết bị của hệ thống được lắp đặt Chương này sẽ tập trung vào các

tiêu chuẩn sau: IEEE 519-1992, IEC 61000-2-2, IEC 61000-3-2, IEC 61000-3-4, IEC 61000-3-6

1.5.1 Tiêu chuẩn sóng hài trong nước

Theo điều 7 của Quy định hệ thống điện phân phối (Ban hành kèm theo Thông

tư số 39/2015/TT-BCT ngày 18 tháng 11 năm 2015 của Bộ Công thương Thì: Giá trị cực đại cho phép (tính theo % điện áp danh định) của tổng mức biến dạng điện áp gây

ra bởi các thành phần sóng hài bậc cao đối với các cấp điện áp được cho trong bảng sau:

Bảng 1.3 Độ biến dạng sóng hài điện áp

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

1.5.2 Tiêu chuẩn sóng hài quốc tế

Theo [6, 8, 9, 10] thì có các tiêu chuẩn về sóng hài như sau:

1.5.2.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992

Tiêu chuẩn sóng hài 519 được IEEE đề nghị vào năm 1981 để kiểm soát sự bù công suất phản kháng và sóng hài đã không còn phù hợp với những tiến bộ khoa học

kỹ thuật và công nghệ trong những năm sau đó mà làm cho hệ thống điện phải gánh chịu các vấn đề về sóng hài cao hơn với những thiết bị phát sinh sóng hài trong công

nghiệp, thương mại và dân dụng Vì vậy, tiêu chuẩn IEEE 519-1992 đã ra đời để phù

hợp với các vấn đề hiện tại

Theo tiêu chuẩn IEEE 519-1992 thì có các mức giới hạn cho phép đối với méo

dạng dòng hài được liệt kê trong các bảng sau:

Bảng 1.4 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ

Bảng 1.6 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống

truyền tải phổ biến (> 161 kV) (Áp dụng cho cả sự phát phân tán và sự đồng phát)

*Tất cả các thiết bị phát năng lƣợng đƣợc giới hạn tới những giá trị méo dạng

dòng này, bất chấp giá trị I sc /I L thực tế với:

I sc = Dòng điện ngắn mạch cực đại tại điểm kết nối chung (PCC)

I L = Dòng điện nhu cầu cực đại của tải (Thành phần tần số cơ bản tại PCC)

TDD: Méo dạng nhu cầu tổng