Nghiên cứu, thiết kế các trạm lọc và bù cho các xí nghiệp công nghiệp

- Tải không xác định: Đó là các bộ chỉnh lưu diod công suất thấp, những bộ chỉnh lưu này có thể bơm lên hệ thống phân phối một lượng sóng hài đáng kể, tuy nhiên một số hệ thống chỉnh lưu

Trường đạI học bách khoa hà nội -o0o -

Luận văn thạc sỹ khoa học

Ngành: Tự động hóa

Nghiên cứu, thiết kế các trạm lọc

và bù cho các xí nghiệp công nghiệp

Lời nói đầu

1.1.1 Tải xác định và tải không xác định 1 1.1.2 Nguồn sản sinh sóng hài dòng điện và sóng hài điện áp 2 1.1.3 ảnh hưởng của sóng điều hòa lên các phần tử hệ thống

Chương 2 Tìm hiểu các phương pháp bù hiện nay 13

2.1.1 Bù đối với các xí nghiệp công nghiệp 13

3.3.3 Bộ điện kháng đầu vào xoay chiều thụ động: 36

điện cảm kết nối Lghép

4.4.4.3 Khảo sát đáp ứng của mạch lọc khi thay đổi giá trị tụ

4.4.4.4 Khảo sát đáp ứng của mạch lọc khi thay đổi biên độ

sai số – hysteresis band của mạch tạo trễ 69 4.4.4.5 Mô phỏng hệ thống với các tham số chọn chuẩn 72 4.4.4.6 Khảo sát đáp ứng của mạch lọc trong trường hợp điện

Lời nói đầU

Điện năng là năng lượng chủ yếu của các xí nghiệp công nghiệp Các xí nghiệp này tiêu thụ khoảng trên 70% tổng số điện năng được sản xuất ra, vì thế vấn đề sử dụng hợp lý và tiết kiệm điện năng trong các xí nghiệp công nghiệp có ý nghĩa rất lớn Tuy nhiên việc sử dụng các tải phi tuyến đã sản sinh

ra một lượng đáng kể các sóng hài dòng điện và điện áp, điều đó làm suy giảm chất lượng của hệ thống điện Yêu cầu đặt ra là phải chọn giải pháp lọc và bù

có tính linh hoạt và tự thích ứng trong một chừng mực nào đó với sự biến đổi của phụ tải

ở Việt Nam hiện nay, việc bù cos chủ yếu ứng dụng phương pháp bù ϕ

bằng tụ Việc lọc sóng hài chỉ mới dừng lại ở mức lọc thụ động bằng các phần

tử tuyến tính L – C Tuy nhiên các mạch lọc thụ động chưa phải là giải pháp tốt trong các trường hợp tải nhạy cảm và thường xuyên thay đổi tham số Ngoài ra việc bù thụ động còn dễ gây nên các tác hại về sự cộng hưởng với thiết bị điện hoạt động trong hệ thống khi tải thay đổi

Để vươn tầm hội nhập với thế giới trên khía cạnh cung cấp năng lượng và giải quyết ngay chính trong vấn đề năng lượng điện của mình, chúng ta cần thiết phải nghiên cứu chế tạo bộ lọc tích cực đặt tại các trạm bù Cụ thể trong khuôn khổ luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu và tiến hành mô phỏng hệ thống lọc tích cực song song 3 pha – 3 dây

Với hướng nghiên cứu như vậy, quyển luận án được chia làm 4 chương như sau:

• Chương 1: Đi vào phân tích các ảnh hưởng của sóng điều hòa trong hệ

thống điện Phân tích nguyên nhân gây ra sóng hài và giới thiệu khái niệm

bù công suất phản kháng và lọc sóng hài

nghiệp và bù đối với đường dây cao áp Nội dung chương 2 tập trung chủ yếu vào phân loại các phương pháp bù cơ bản, và đi sâu phân tích ưu nhược

điểm một số phương pháp bù

• Chương 3: Nội dung chương 3 trình bày các kiểu lọc cơ bản, và tập trung

phân tích nguyên lý, ưu nhược điểm các phương pháp lọc hiện nay

• Chương 4: Chương 4 là trọng tâm của luận văn với nội dung: Thiết kế bộ

lọc tích cực kết hợp chức năng bù công suất phản kháng Nội dung chương này bao gồm:

Với những phần sẽ được trình bày trong luận văn, tác giả hy vọng có thể

đóng góp một phần nào đó trong quá trình nghiên cứu về trạm lọc và bù, đồng thời luận văn sẽ trở thành nguồn tài liệu tham khảo bổ ích dành cho các kỹ sư

và sinh viên

Học viên:

Phạm Thị Huyền

Chương 1

SỰ CẦN THIẾT PHẢI BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ LỌC SÓNG HÀI BẬC CAO

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu các mục sau:

- Các tải sản sinh sóng điều hòa

- Công suất phản kháng và sự cần thiết phải bù công suất phản kháng

- Lọc các sóng hài bậc cao

1.1 Các tải sản sinh sóng điều hòa

1.1.1 Tải xác định và tải không xác định

Tải phi tuyến sản sinh ra các sóng điều hòa được chia thành 2 loại:

- Tải xác định:

Đó là các bộ chỉnh lưu diod/thyristor công suất cao; Lò hồ quang Chúng

ta xác định được các tải phi tuyến này bởi các hộ dùng điện công suất lớn trong hệ thống phân phối điện trong nhiều trường hợp Ngành điện có thể ấn định điểm kết nối chung cho hộ tiêu thụ lớn nơi sản xuất ra lượng sóng hài lớn lên lưới điện, ngoài ra cũng có thể ấn định lượng sóng hài cho phép được bơm lên hệ thống từ một hộ đơn lẻ

- Tải không xác định:

Đó là các bộ chỉnh lưu diod công suất thấp, những bộ chỉnh lưu này có thể bơm lên hệ thống phân phối một lượng sóng hài đáng kể, tuy nhiên một số hệ thống chỉnh lưu công suất thấp lại sản sinh ra lượng sóng hài dòng điện không đáng kể

1.1.2 Nguồn sản sinh sóng hài dòng điện và sóng hài điện áp

Một tải sinh ra sóng điều hòa có thể được coi là một nguồn áp điều hòa cũng như nguồn dòng điều hòa

Trên quan điểm phân chia nguồn sóng hài là nguồn áp hay nguồn dòng, bộ chỉnh lưu diod với điện cảm nối phía một chiều Ld có thể coi là một nguồn dòng điều hòa vì trở kháng của tải lớn hơn rất nhiều so với trở kháng nguồn cung cấp đối với tần số điều hòa  h:

2 2

có ít thành phần hài thấp ở tần số thấp, nhưng lại tăng cao ở tần số cao hơn;

có khả năng nâng điện áp

1.1.3 Ảnh hưởng của sóng điều hòa lên các phần tử hệ thống điện

Sóng hài dòng điện từ các tải phi tuyến có thể gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị trong hệ thống phân phối điện, như là:

- Gây tổn thất

- Méo điện áp

- Mất ổn định

- Giảm khả năng truyền tải,…

Các thành phần có thể bị ảnh hưởng bao gồm các máy biến áp, các vật dẫn điện, aptomat, các chốt nối,…Và các vấn đề về sóng hài có thể xảy ra ở cả hệ thống điện một pha lẫn ba pha

1.1.3.1 Dây dẫn điện

Các thành phần điều hòa bậc cao gây thêm tổn thất nhiệt tại tất cả các dây dẫn điện mà chúng chạy qua, bởi điện trở của dây dẫn điện tăng lên cùng với tần số theo hiệu ứng mặt ngoài Khi tần số của dòng điện tăng, khả năng hút vào bên trong vật dẫn bị giảm, dẫn tới mật độ dòng điện tập trung dày đặc ở mặt ngoài của vật dẫn hơn là ở tâm của vật dẫn Nếu dây dẫn đang cho dòng điện định mức đi qua thì vẫn có thể bị quá nhiệt nếu dòng điện có chứa lượng đáng kể các thành phần sóng hài bậc cao Vì tất cả các dây dẫn điện chứa các sóng hài sẽ bị tăng tổn thất, sẽ có nhiều nhiệt năng bị tán xạ trong hệ thống,

và hiệu suất của hệ thống nói chung sẽ giảm

1.1.3.2 Dây dẫn trung tính mạng ba pha

Các sóng bội ba là một vấn đề lớn trong hệ thống ba pha có dây trung tính, được minh họa trên hình 1.1 Một hệ thống phân phối cung cấp ba pha công suất đến bảng phân phối điện, từ đó các mạch nhánh truyền tải cung cấp điện cho các ổ cắm điện và chiếu sáng, bao gồm ba tải một pha nối với nhau bởi hệ thống mạch nhánh bốn dây Khi các tải tuyến tính xác định tồn tại trên các pha, dòng điện do các pha gây ra tại điểm “n” bằng 0 và không có dòng điện chạy trên dây trung tính Giả sử đối với tải tuyến tính không xác định thì dòng

điện tồn tại trong dây trung tính không thể vượt quá dòng điện pha cao nhất trong ba pha

Hình 1.1 Hệ thống ba pha với tải phi tuyến cân bằng

Nếu tải là phi tuyến, sẽ tồn tại sóng điều hòa trong từng pha Với tải cân bằng, thành phần cơ bản và các thành phần điều hòa có bậc không phải là bội

ba sẽ triệt tiêu tại điểm trung tính Nếu sóng điều hòa bội ba tồn tại trong dòng điện pha, chúng sẽ được cộng trực tiếp vào mạch nhánh và dây dẫn trung tính Dây dẫn trung tính chứa tổng của các hài bội ba của ba pha, dòng điện trung tính có thể vượt quá dòng điện pha Mặt khác dây trung tính không được bảo vệ bởi thiết bị đóng cắt, nó có thể bị phá hủy bởi nhiệt

Tất cả các thành phần thứ tự thuận và nghịch đều bị loại trừ tại điểm trung tính Các hài bội ba trong khi đó cộng lại với nhau tại đó:

INrms = 3.(I23rma + I26rma + I29rma +….)1/2 (1-3)

Từ đó suy ra dòng điện trung tính có trị hiệu dụng bằng 3 lần trị hiệu dụng của các điều hòa bội ba tồn tại trong một pha

1.1.3.3 Máy biến áp

Dòng điện chạy trong cuộn dây và từ thông trong vật liệu sắt từ gây nên tổn thất công suất với máy biến áp Dòng điện hài có tần số cao gây thêm tổn thất qua tất cả các chất dẫn điện mà nó chạy qua, bao gồm dây quấn máy biến

áp và dây dẫn Sóng hài tạo nên thành phần từ thông điều hòa tại lõi máy biến

áp, gây nên sự mở rộng băng từ trễ và tổn thất dòng phucô trong lõi thép Tổn thất từ trễ tỉ lệ với tần số của từ thông, và tổn thất phucô tỉ lệ với bình phương của tần số Do đó, dòng điều hòa gây nên tổn thất lớn cho lõi máy biến áp Tổn thất này có thể gây ra việc quá nhiệt máy biến áp và hỏng các lớp cách điện

1.1.3.4 Máy điện

Các sóng hài sẽ gây nên hiện tượng biến dạng đàn hồi (ví dụ làm lệch trục), mômen kí sinh, dao động cơ khí, và tổn thất nhiệt, làm giảm hiệu suất của các máy điện quay

Với các máy điện ba pha, thành phần sóng điều hòa cơ bản không chứa các điều hòa bội 3, và bậc điều hòa thứ tự thuận và thứ tự nghịch có thể biểu diễn bởi h = 6n  1, như 5, 7, 11, 13, 17 …,

Các điều hòa thứ tự không thì không sản sinh ra từ thông, chúng gây nên tổn thất thuần trở Hiện tượng nhấp nhô mômen có thể xảy ra tại các tần số khác nhau Giả sử động cơ hoạt động trong phạm vi tần số từ 5 đến 50Hz nuôi bởi một biến tần 6 xung, thì sóng hài bậc 6 sẽ gây ra mômen nhấp nhô có tần

số trong khoảng từ 30 Hz đến 300Hz Tại tần số hoạt động thấp, độ nhấp nhô mômen có thể quan sát được Mặt khác một số tốc độ trong dải hoạt động đó

có thể tương tự tần số cơ học tự nhiên của tải hoặc cơ cấu Tại tần số cộng hưởng đó sẽ tự khuếch đại ứng suất động Điều này có thể làm cho cơ cấu bị lắc và giật

1.1.3.5 Rơ le bảo vệ và các thiết bị đo đếm

Rơ le bảo vệ dựa trên điện áp đỉnh hoặc dòng điện đỉnh đều bị ảnh hưởng bởi sóng hài Như đã phân tích đối với dây dẫn trung tính mạng ba pha, các thành phần điều hòa thứ tự không có thể gây ra quá dòng trung tính, dẫn đến

sự nhảy nhầm của rơ le

Mức độ sóng hài vào khoảng 10 đến 20% là đủ để gây nên các vấn đề về việc đóng cắt rơ le bảo vệ Mặt khác các thiết bị đo đếm cũng bị ảnh hưởng bởi sóng hài Nếu hệ thống chứa lượng sóng điều hòa bậc 5 lên tới 20% thì có thể gây nên sai lệch lên tới 10 – 15% của đồng hồ đo công suất ba pha Sai lệch trên có thể do thành phần thứ tự thuận, nghịch hay thứ tự không, tùy vào từng loại đồng hồ đo

1 GHz Âm thành và các tần số phát ra của các thiết bị nghe nhìn và đồng hồ điện tử có thể bị nhiễu bởi các sóng hài trong khoảng một vài kilohez Các lá chắn nhiễu điện từ và các biện pháp lọc cần được thực hiện để chống nhiễu Trong thực tế, đã có nhiều tiêu chuẩn khác nhau về hạn chế nhiễu điện từ

1.2 Công suất phản kháng và vấn đề bù cos

1.2.1 Các khái niệm

1.2.1.1 Các thành phần công suất

Công suất điện xoay chiều là phần năng lượng được chuyển qua mạch điện xoay chiều trong một đơn vị thời gian

Công suất được định nghĩa như là phần năng lượng được chuyển qua một

bề mặt trong một đơn vị thời gian Đối với mạch điện một chiều, công suất, năng lượng mà mạch điện thực hiện chuyển đổi qua đường dây điện trong một đơn vị thời gian, được tính bằng:

- P là công suất thực: Năng lượng hữu công

- Q là công suất phản kháng: Năng lượng vô công

- S là công suất biểu kiến

P

S

Q



S = P + jQ (1-5)

1.2.1.2 Công suất phản kháng và hệ số cos 

Tỷ số giữa công suất thực và công suất biểu kiến trong mạch gọi là hệ số công suất

Kí hiệu:

S

P Cos  

Hệ số công suất là một chỉ tiêu để đánh giá xí nghiệp, nhà máy dùng điện

có hợp lý và tiết kiệm điện hay không Hiện nay hệ số công suất của các nhà máy, xí nghiệp ở nước ta còn thấp (0,6 - 0,7), chúng ta cần phải phấn đấu để nâng cao dần lên (đến trên 0,9) Cần thấy rằng việc tiết kiệm điện và nâng cao

hệ số công suất cos không phải là những biện pháp tạm thời đối phó với tình trạng thiếu điện mà phải có sự tính toán về lâu dài

Công suất phản kháng: Chia làm 2 loại:

- Năng lượng yêu cầu bởi mạch có tính cảm (máy biến áp, động cơ điện,v.v )

- Năng lượng yêu cầu bởi mạch tính dung (điện dung dây cáp, tụ công suất, v.v )

Thành phần vô công của dòng điện mặc dù không tiêu thụ công suất của nguồn phát nhưng trong quá trình truyền tải và phân phối điện, nó tạo nên tổn hao nhiệt trong dây dẫn Trong các hệ thống nguồn thực tế, thành phần vô công của dòng điện luôn luôn có tính cảm, trong khi đó tổng thể của hệ truyền tải và phân phối chủ yếu mang tính cảm Dòng điện vô công (tính dung) có hiệu ứng ngược lại lên các mức điện áp trong hệ thống điện

Công suất phản kháng mang tính cảm được quy ước mang dấu dương ( +Q)

và tính dung mang dấu (-Q)

Theo quy ước, dung kháng được coi là sinh ra công suất phản kháng còn cảm kháng thì tiêu thụ công suất này (nguyên nhân là trên thực tế phần lớn các phụ tải thực trong cuộc sống là có cảm kháng và do đó công suất phản kháng phải được cấp tới chúng bởi những tụ bù)

1.2.2 Vấn đề bù cos

1.2.2.1 Nâng cao hệ số cos 

Nâng cao hệ số công suất cos là một trong những biện pháp quan trọng

để tiết kiệm điện năng Hệ số công suất cos được nâng cao (tức là giảm công suất phản kháng Q) sẽ đưa đến những hiệu quả sau:

- Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện

- Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện

Z

X Q R P

Trong đó: U là sai lệch điện áp hệ thống Do điện trở R rất nhỏ, nên Q thay đổi thì điện áp U thay đổi Vì thế điều chỉnh Q sẽ làm ổn định điện áp trong mạng điện

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng

Vì những lý do trên mà việc nâng cao hệ số công suất cos thông qua

bù công suất phản kháng đã trở thành vấn đề quan trọng, cần phải được quan tâm đúng mức trong khi thiết kế cũng như vận hành hệ thống cung cấp điện

1.2.2.2 Các máy điện và thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng

Tất cả máy điện và thiết bị điện xoay chiều có chứa phần tử biến đổi điện từ hoặc chứa các dây quấn liên hệ về từ đều cần ít hoặc nhiều dòng điện phản kháng để tạo từ thông Các trường hợp thường gặp nhất là các máy biến

áp và các cuộn kháng, các động cơ điện và đèn phóng điện

Tỉ lệ giữa công suất phản kháng kVAr và công suất tác dụng (kW) khi thiết bị mang đầy tải thay đổi khác nhau tùy theo loại thiết bị được xét đến, cụ thể là:

 65% - 75% đối với động cơ không đồng bộ

 5% - 10% đối với máy biến áp

Hệ số công suất của động cơ đồng bộ đang vận hành có thể điều chỉnh thay đổi bằng cách thay đổi dòng kích từ Các máy điện này có thể vận hành với hệ số công suất mang tính cảm (non kích) hoặc tính dung (quá kích) Khi

ấy các máy này được gọi là máy “bù đồng bộ”

Trước đây, khi công nghệ chế tạo bù chưa hoàn hảo, máy bù đồng bộ thường được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải về bù công suất phản kháng và từ đó làm tối ưu hóa công suất truyền tải trong điều kiện tải thay đổi

1.3 Sóng điều hòa và sự cần thiết phải lọc

1.3.1 Khái niệm và nguyên nhân sinh ra sóng hài

1.3.1.1 Khái niệm

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

Dạng sóng sin:

Dạng sóng hài:

Hình 1.3 Thành phần cơ bản và các hài

1.3.1.2 Nguyên nhân sinh ra sóng 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 phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép của máy biến áp, động cơ (đặc tính bão hoà của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như điốt, tiristo của các bộ biến đổi Thường thì sóng hài bậc 3 triệt tiêu được nhờ cuộn dây đấu tam giác trong máy biến áp (cùng với đó là tổn thất điện năng), song các sóng hài bậc lẻ khác (giá trị lớn nhất là bậc 5 và bậc 7) vẫn lan truyền theo đường dây, gây tổn thất điện năng, tác động xấu đến sự vận hành của các thiết bị, nhất là các động cơ ba pha chưa kể các sóng hài bậc cao hơn có thể gây sóng điện từ lan truyền trong không gian, ảnh hưởng đến các thiết bị thu phát sóng rađiô

1.3.2 Sự cần thiết phải lọc sóng hài

Do sóng hài, giá trị hiệu dụng của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng lên,

có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện Mặt khác, 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 hủy 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

Vì thế ta phải lọc sóng hài

Thường dùng bộ lọc để lọc sóng hài Nguyên lý hoạt động là bộ lọc cộng hưởng ở các tần số cần loại bỏ, khi đó dòng điện với các tần số cần loại bỏ sẽ

bị ngắn mạch chạy thẳng xuống đất

Chương 2 TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ HIỆN NAY

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu các mục sau:

2.1.1 Bù đối với các xí nghiệp công nghiệp

Dung lượng bù cần thiết cho các xí nghiệp công nghiệp được xác dựa trên công thức: Qbù = Q1 – Q2

Suy ra:

Trong đó:

Ptính toán XN: Phụ tải tác dụng tính toán của nhà máy, kW

φ1: Góc lệch ứng với công suất trung bình trước bù

φ2: Góc ứng với hệ số công suất bắt buộc sau bù (Cos φ2 ~ 0,95)

α : Hệ số xét tới khả năng nâng cao Cosφ bằng những phương pháp đòi hỏi không phải đặt thiết bị bù; α: 0,9 ~ 1

Hình 2.1 Biểu diễn véc tơ công suất

Nâng cao hệ số công suất cos bằng phương pháp bù là đặt các thiết

bị bù ở gần các phụ tải để cung cấp công suất phản kháng cho chúng, ta giảm được lượng công suất phản kháng phải truyền trên đường dây do đó nâng cao được hệ số cos của mạng Biện pháp bù không giảm được lượng công suất tiêu thụ của phụ tải mà chỉ giảm được lượng công suất phản kháng phải truyền tải, và bù vào công suất của mạng điện Vì thế chỉ sau khi dùng các biện pháp nâng cao hệ số công suất tự nhiên mà vẫn không đạt yêu cầu thì chúng ta mới xét tới phương pháp bù Nói chung hệ

số cos tự nhiên của các nhà máy, xí nghiệp cao nhất cũng không tới 0,9 (thường vào khoảng 0.7 - 0,8) vì thế ở các nhà máy, xí nghiệp hiện đại bao giờ cũng phải đặt thêm thiết bị bù Cần chú ý rằng bù công suất phản kháng

Q ngoài mục đích chính là nâng cao hệ số công suất cos để tiết kiệm điện

P S1

L

1

2 S2

Q1

Q2

QC

-QC bù

còn có tác dụng không kém phần quan trọng là điều chỉnh và ổn định điện

áp của mạng cung cấp

Các sự cố tan rã hệ thống gần đây đều có liên quan đến sự sụp đổ điện

áp (hoặc là mất ổn định điện áp) Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự sụp đổ điện áp thường là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng tăng mạnh bất thường của nhu cầu phụ tải Thời gian mất ổn định điện áp từ khi bắt đầu đạt đến giới hạn công suất truyền tải cho đến khi mất điện có thể kéo dài từ vài giây đến vài giờ

2.1.2 Bù đối với đường dây cao áp

Quá trình điện xoay chiều trên đường dây cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây Điện trường của đường dây thường ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp của đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (với đường dây 220kV – không quá

10%) Song từ trường đường dây tạo ra có thể biến thiên trong một giới hạn rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải trên đường dây

Trị số trung bình cho một chu kỳ của năng lượng điện trường tính trên đơn vị chiều dài của một pha đường dây bằng:

Trong đó: Up: Điện áp pha của đường dây

Công suất của điện trường 3 pha đường dây có chiều dài l:

l U C l

W

2

3

Trị số trung bình cho một chu kỳ của năng lượng từ trường tính trên đơn

vị chiều của một pha đường dây (khi tải một dòng điện I) bằng :

2

3

0 2

3

I

Từ đó :

H C

p

Z

U L

C U

p H

Z

U P

2

3

Khi đường dây không tải, lượng công suất phản kháng của điện trường phát ra rất lớn có thể gây quá điện áp ở một số phần trên đường dây Để hạn chế mức quá điện áp không tải người ta dùng các kháng điện bù ngang và bù dọc đường dây

2.2 Các phương pháp bù hiện nay

Có 2 nguyên lý bù công suất phản kháng chính đó là:

- Bù song song (Hay bù ngang)

- Bù nối tiếp (Hay bù dọc)

Mục đích chủ yếu của việc sử dụng các thiết bị bù là nâng cao khả năng truyền tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao động công suất làm cho hệ thống vận hành một cách linh hoạt và hiệu quả hơn Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây cao áp có chiều dài lớn

2.2.1 Bù song song

Bù song song được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các kháng điện có điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp Dòng điện IL của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể Qua đó nó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây

Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây cao áp trong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải…

- Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch, các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện

áp của đường dây và máy biến áp Để khắc phục hiện tượng quá áp và quá tải máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây

- Trong chế độ non tải, công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về

2 phía của đường dây Để đảm bảo được trị số cos cho phép của máy phát,

ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng

Kháng điện bù ngang có điều khiển là một thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng Nó có thể điều chỉnh công suất phản kháng tiêu thụ trong giới hạn từ

Q0 đến trị số danh định

Kháng điện bù ngang vừa thực hiện chức năng của một kháng điện bình thường vừa thay thế được các máy phát điện trong nhiệm vụ điều chỉnh công suất trong hệ thống Sử dụng kháng bù ngang có điều khiển cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể

Nguån

T¶i

RX

Bé bï

Hình 2.2 Nguyên lý bù song song

2.2.2 Bù nối tiếp

Bù nối tiếp là biện pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện Qua đó, giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên Hơn nữa, giới hạn

ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ

Dòng điện chạy qua tụ C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù lại phần tổn thất trên đường dây Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây

là hệ số bù dọc KC:

% 100

C

C L C

X

X X

Khi mắc thêm tụ vào đường dây, thì XL – XC sẽ giảm, vì thế giảm được tổn thất công suất trên đường dây

Hình 2.3 Nguyên lý bù nối tiếp

Thiết bị bù kiểu này lắp đặt nối tiếp với đường dây hệ thống, vì thế có thể nói bù nối tiếp mang tính chất hệ thống, còn bù song song mang tính chất cục bộ

2.2.3 Bộ VAR truyền thống

Các bộ bù VAR được phân loại tùy theo cách sử dụng và kiểu kết nối với hệ thống công suất (song song hay nối tiếp) Bù động và bù tĩnh thường

được sử dụng để bù công suất phản kháng Ở thập kỷ trước, một số lượng lớn các bộ bù VAR khác nhau, sử dụng công nghệ điện tử công suất đã được đề xuất và phát triển Có hai cách tiếp cận sử dụng điện tử công suất dựa trên bù VAR, cách thứ nhất là sử dụng tụ điện đóng mở bằng thyristor và các điện kháng với các máy biến áp đổi nối, cách thứ hai là sử dụng các bộ biến đổi tĩnh tự chuyển mạch

2.2.3.1 Bộ tụ chuyển mạch cơ học hoặc cố định

Thiết bị đóng ngắt thường sử dụng như rơ le và cầu dao Các phương pháp này dựa trên các chuyển mạch cơ khí và các rơ le

- Không tin cậy

- Phát ra dòng điện khởi động cao

- Đòi hỏi phải bảo dưỡng thường xuyên

2.2.3.2 Máy bù đồng bộ

Máy bù đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong điều khiển công suất phản kháng và điện áp trong hơn 50 năm Về mặt chức năng, máy bù đồng bộ đơn giản là máy điện đồng bộ kết nối với hệ thống công suất Thiết bị sau được đồng bộ hóa, dòng kích từ được điều chỉnh đến hoặc là phát ra hoặc là hấp thụ công suất phản kháng theo yêu cầu của hệ thống Máy điện có thể cung cấp điều khiển công suất phản kháng liên tục khi được sử dụng với mạch kích từ tự động chính xác

Ưu điểm: Khả năng quá tải nhất thời

- Ngoài ra, sự tổn thất của chúng là lớn hơn sự kết hợp khác với bù tĩnh,

và chi phí thì lớn hơn nhiều so với các bộ bù tĩnh

2.2.3.3 Bộ bù VAR dùng thyristor

a Nguyên lý làm việc của SVC

Thiết bị bù song song có điều khiển còn gọi là máy bù tĩnh (SVC) có nhiệm vụ phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng một cách linh hoạt, có thể điều chỉnh liên tục bằng cách tăng hay giảm góc mở của các Thyristor SVC thường được kết hợp giữa phần tử TCR (Thyristor Controlled Reactor) và TSC (Thyristor Switched Capacitor) Sự phối hợp điều chỉnh công suất phản kháng giữa 2 phần tử này có thể làm cho SVC vận hành khá linh hoạt và hiệu quả trong các chế độ vận hành khác nhau

Về cơ bản SVC cấu tạo từ 3 phần tử chính sau: Tụ điện đóng mở bằng Thyristor (TSC) kết hợp với kháng điện đóng mở bằng Thyristor (TSR) và kháng điện điều khiển bằng Thyristor ( TCR)

- TCR (Thyristor Controlled Reactor): Kháng điện điều khiển bằng Thyristor

có chức năng điều khiển liên tục dòng công suất phản kháng

- TSR (Thyristor Switched Reactor): Kháng điện đóng mở bằng Thyristor có chức năng đóng cắt nhanh dòng công suất phản kháng tiêu thụ

- TSC (Thyristor Switched Capacitor): Tụ điện đóng mở bằng Thyristor có chức năng đóng cắt nhanh công suất phản kháng phát lên lưới

Ngoài các phần tử cơ bản trên còn phải kể đến các phần tử khác của SVC như hệ thống điều khiển các Thyristor, các bộ lọc cao tần, máy biến áp với điện áp thứ cấp phù hợp với các cấp điện áp của SVC Các bộ lọc cao tần làm nhiệm vụ khử các thành phần sóng điều hòa bậc cao, đặc biệt là các thành phần bậc 3, bậc 5, bậc 7 phát sinh trong quá trình hoạt động cuả SVC

Các thyristor và hệ thống điều khiển chúng đóng vai trò quyết định trong hoạt động của SVC Việc thay đổi đột ngột góc mở thyristor từ = 00đến = 1800 hoặc ngược lại sẽ tương ứng với trạng thái đóng cắt mạch của TSC hoặc TSR Khi tăng dần góc mở của thyrisotor từ 900

đến 1800

, giá trị hiệu dụng dòng điện chạy qua TCR sẽ giảm dần từ giá trị danh định về 0 Nhờ

đó, dòng công suất phản kháng có thể được điều chỉnh liên tục

Hoạt động đóng mở của thyristor hầu như không có thời gian quá độ nên SVC phản ứng rất nhanh và nhạy trước sự thay đổi của điện áp Trên thực

tế, độ nhạy về điện áp có thể đạt tới mức nhỏ hơn 0.2% và SVC có thể thay đổi công suất từ 0 đến trị số định mức trong khoảng thời gian chưa đầy 10ms

Hình 2.5: Mô hình SVC

(a) TCR và TSR (b) TCR và tụ cố định FC

Có 2 dạng sơ đồ cấu tạo của SVC như hình 2.5:

- SVC là kết hợp của TCR và TSR Kháng điện bù và tụ điện bù đều được điều khiển bởi các bộ thyristor

- SVC là kết hợp của TCR và tụ điện cố định FC (Fixed Capacitor) Tụ điện nối cố định với phía thứ cấp máy biến áp, chỉ có kháng điện được điều khiển bởi bộ thyristor

Sự khác nhau giữa 2 kiểu mô hình SVC trên đó là: Mô hình SVC kết hợp giữa TCR và TSR linh hoạt và hiệu quả hơn so với mô hình SVC kết hợp giữa TCR và tụ điện cố định FC, nhưng chi phí đắt hơn (vì sử dụng nhiều phần tử thyristor hơn) và điều khiển sẽ phức tạp hơn

Kháng điện điều chỉnh nhanh bằng thyristor (TCR) được cấu tạo dựa trên nguyên lý hoạt động và điều khiển của cặp thyristor mắc song song ngược chiều nhau Nhờ khả năng có thể khống chế được trị số hiệu dụng của dòng

điện đi qua thyristor liên tục thông qua việc thay đổi góc mở  bằng thời điểm phát xung điều khiển cho các thyristor mà TCR có khả năng điều chỉnh tiêu thụ công suất phản kháng rất nhanh

Trên thực tế, các sóng hài bậc cao có ảnh hưởng xấu đến hoạt động của

hệ thống điện và chúng được loại bỏ nhờ các thiết bị lọc mắc song song với thiết bị bù

Các biện pháp để loại bỏ thành phần sóng hài bậc cao trong TCR:

Để loại bỏ thành phần bậc cao trong dòng điện TCR, người ta đặt các

bộ lọc tần số cao F Các bộ lọc này chính là các mạch LC cộng hưởng với tần

số mà nó cần lọc

Thông thường trong SVC chỉ có một TCR còn các phần tử khác là TSR

và TSC Đây là những phần tử đóng mở nhảy bậc nên trong quá trình làm việc không sinh ra dòng cao tần Chỉ có TCR là phần tử thay đổi liên tục của SVC mới sinh ra dòng điện cao tần trong quá trình làm việc Bởi vậy, để giảm cường độ dòng điện cao tần, người ta còn có biện pháp là chia nhỏ công suất của SVC ra nhiều phần tử TSR, TSC và TCR Việc chia nhỏ công suất của SVC ra nhiều phần tử có lợi là :

- Giảm dòng điện thành phần bậc cao

- Khả năng điều chỉnh công suất phản kháng phát ra mềm dẻo hơn

- Công suất của thyristor sẽ được chọn nhỏ đi tương ứng

2.3 Công nghệ bù VAR mới

2.3.1 Mô hình STATCOM (Static Synchronous Compensator)

Hình 2.6 Cấu trúc cơ bản của STATCOM

Đặc điểm:

- Là thiết bị bù song song

- Thiết bị bù nối nối tiếp với máy biến áp Thông qua việc thay đổi điện

áp và góc pha từ STATCOM, điện áp một chiều Ud thay đổi, khi đó làm thay đổi lượng công suất phản kháng phát lên lưới hệ thống

- Từ công thức (1.5):

Z

X Q R P

 Bằng cách khống chế điện áp STATCOM cùng pha với điện áp thứ cấp máy biến áp nhưng có biên

độ lớn hơn, khi đó U<0, tụ C sẽ phát công suất phản kháng cho hệ thống, lúc này điện áp tăng lên Khi điện áp STATCOM nhỏ hơn thì bộ

bù hấp thụ công suất phản kháng, khi đó điện áp giảm Vì thế mô hình này hạn chế quá điện áp trên lưới điện

2.3.2 Bộ bù SSSC (Static Synchronous Series Compensator)

(Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh)

Hình 2.7 Bộ bù SSSC

Đặc điểm:

- Là thiết bị bù nối tiếp

- Sơ cấp máy biến áp nối tiếp với nguồn, nối tiếp với tải, thứ cấp máy biến áp nối tiếp xuống bộ bù Hoạt động như bộ bù nối tiếp điều khiển được Sự khác nhau cơ bản đó là, điện áp đưa vào bởi SSSC không liên

hệ với dòng đường dây, và có thể được điều khiển độc lập

- Bộ bù SSSC cũng có khả năng phát ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng linh hoạt, có thể điều chỉnh liên tục qua việc đóng mở các van công suất

2.3.3 Bộ UPFC (Unified Power Flow Controller)

Đặc điểm:

- Là sự kết hợp giữa bù nối tiếp và bù song song

- Bao gồm hai bộ biến đổi PWM, hoạt động từ một đường một chiều chung được cấp bởi tụ một chiều Một bộ nối nối tiếp với đường dây, bộ còn lại nối song song Bộ biến đổi nối tiếp của UPFC đưa vào thông qua máy biến áp nối tiếp

- Bộ bù UPFC cũng có khả năng phát ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng linh hoạt, có thể điều chỉnh liên tục qua các khối điều khiển PWM

- Chi phí cao và điều khiển phức tạp

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện UPFC

Chương 3 TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC HIỆN NAY

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu các mục sau:

- Phân loại các phương pháp lọc sóng hài

- Các phương pháp lọc hiện nay

3.1 Phân loại các phương pháp lọc sóng hài

Tất cả các bộ lọc tích cực đều dựa trên nền bộ biến đổi PWM (Nghịch lưu nguồn áp hay nghịch lưu nguồn dòng)

Nhiệm vụ của mạch lọc tích cực:

- Bù công suất

Việc thực hiện bù công suất đồng thời với chức năng lọc thì các cấu hình thiết kế có thể chỉ giới hạn ở mức độ công suất nhỏ Do nhiều thiết bị bù tuy có đáp ứng chậm hơn nhưng giá thành rẻ, ví dụ bù bằng SVC - đóng ngắt bằng thyristor

- Bù sóng hài điện áp

Nguồn điện trong các hệ thống điện có trở kháng thấp và điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự trồi áp hoặc giảm áp, nên vấn đề bù điện áp không được chú trọng nhiều; Vấn đề này chỉ được xem xét đến khi tải nhạy cảm với sự xuất hiện sóng hài điện áp trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện

- Bù sóng hài dòng điện

Việc giảm thành phần sóng hài dòng điện trong lưới có ý nghĩa quan trọng đối với tải công suất nhỏ và vừa; Nó còn có tác dụng giảm độ méo dạng điện áp lưới tại điểm đấu dây chung

3.1.2.2 Lọc thụ động

Bao gồm hàng loạt điều chỉnh mạch LC Bộ lọc thụ động hài hòa được xây dựng từ các phần tử thụ động (điện trở, cuộn cảm, và tụ) Các sóng hài có thể được giảm thiểu đáng kể đến thấp tới 30% do sử dụng bộ lọc thụ động

Căn cứ vào cấu hình của bộ biến đổi công suất được sử dụng trong mạch lọc,

- Tổn hao do đóng cắt linh kiện nhiều hơn so với cấu trúc cầu VSI

- Không thể mở rộng thành cấu trúc đa bậc

ở cấu trúc CSI

3.2.2 Phân loại theo sơ đồ

Phân loại theo sơ đồ, ta có mạch lọc tích cực nối tiếp và mạch lọc tích cực song song:

3.2.2.2 Mạch lọc tích cực nối tiếp

Hình 3.4 Mạch lọc tích cực nối tiếp

- Khử sóng hài điện áp

- Điều chỉnh và cân bằng điện áp các điểm đầu cuối

- Làm giảm sự lan truyền sóng điều hòa

3.2.2.3 Bộ lọc tích cực UPQC

Bao gồm: Bộ lọc tích cực song song + Bộ lọc tích cực nối tiếp

Hình 3.5 Bộ UPQC

- Khử sóng hài điện áp và sóng hài dòng điện

- Giảm sự lan truyền sóng hài

- Điều chỉnh điện áp tải và cân bằng dòng điện

- Còn có tên khác là bộ lọc tích cực vạn năng

- Chi phí cao và điều khiển phức tạp

Ta có thể nhìn tổng quan sự khác nhau giữa bộ lọc tích cực song song

và bộ lọc tích cực nối tiếp qua bảng 3.1:

Bảng 3.1 So sánh bộ lọc tích cực song song và bộ lọc tích cực nối tiếp

Nội dung Bộ lọc tích cực song song Bộ lọc tích cực nối tiếp

Mạch lực Bộ biến đổi PWM nguồn

áp + Mạch vòng điều khiển dòng điện có phản hồi

Bộ biến đổi PWM nguồn áp

Hoạt động Giống nguồn dòng điện

điều hòa ic

Giống nguồn áp điều hòa vc

Tải phi tuyến Chỉnh lưu diod/thyristor

với tải điện cảm

Chỉnh lưu điod với tải điện dung

Chức năng khác Bù công suất phản kháng Điều chỉnh điện áp xoay

b Bộ lọc tích cực 3 dây

- Tải phi tuyến 3 pha không dây trung tính

c Bộ lọc tích cực 4 dây:

- Tải 1 pha phi tuyến từ hệ thống nguồn cấp 4 dây

- Khử dòng trung tính dôi ra và không cân bằng

- Không phát sinh cộng hưởng hệ thống

- Không đưa sóng hài từ các nguồn khác

- Cải thiện hệ số công suất thực

Nhược điểm:

- Phải điều khiển tại dòng định mức