Ứng dụng bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép để bù công suất phản kháng và lọc sóng hài

Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây nhiều vấn đề như như gây phát nóng quá mức với những thiết bị có lõi từ, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá tải dây trung tính, ảnh

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

-

CÙ ĐỨC KHANG

ỨNG DỤNG BỘ LỌC SÓNG HÀI KIỂU LAI GHÉP ĐỂ

BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ LỌC SÓNG HÀI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện – Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN XUÂN TÙNG

HÀ NỘI – 2018

i

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 chưa từng được 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 được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

ii

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS.Nguyễn Xuân Tùng, người đã luôn động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn ban Giám hiệu, Viện đào tạo Sau đại học và quý thầy, cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp

đỡ và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu để giúp tôi nghiên cứu và hoàn thành công trình này

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên chia

sẻ, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn này

Các nội dung được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi mong nhận được lời đóng góp từ quý thầy, cô và các bạn bè đồng nghiệp

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích và nhiệm vụ của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ ẢNH HƯỞNG 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong lưới điện 6

1.2.1 Máy biến áp 7

1.2.2 Động cơ 7

1.2.3 Thiết bị điện tử công suất 7

1.2.4 Các đèn huỳnh quang: 12

1.2.5 Các thiết bị hồ quang: 12

1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao 12

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI S DỤNG B LỌC 15

2.1 Giới thiệu tổng quát về bộ lọc sóng hài 15

2.1.1 Khái niệm lọc sóng hài 15

2.1.2 Các bộ lọc sóng hài 15

2.2 Bộ lọc thụ động 15

2.2.1 Giới thiệu chung 15

2.2.2 Các loại bộ lọc thụ động phổ biến 17

2.2.3 Thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động 21

2.2.3 Hướng lựa chọn loại bộ lọc thụ động của luận văn 30

iv

2.3 Bộ lọc chủ động 30

2.3.1 Giới thiệu chung 30

2.3.2 AF song song 31

2.3.3 AF nối tiếp (AFs) 32

2.3.4 Thiết kế bộ lọc sóng hài kiểu tích cực 33

2.4 Bộ lọc kiểu lai (Hybrid Filter) 47

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SÓNG HÀI LÕ NẤU THÉP CẢM ỨNG TRUNG TẦN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 48

3.1 Mô hình hệ thống tải phi tuyến 48

3.2 Mô hình tải lò cảm ứng trung tần 48

3.2.1 Giới thiệu về lò cảm ứng trung tần 48

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần 49

3.2.3 Các bộ phận chính của lò cảm ứng trung tần 50

3.3 Thiết kế, tính toán thông số mô hình lò nấu thép cảm ứng trung tần 53

3.3.1 Mô hình lò nấu thép cảm ứng trung tần 53

3.3.2 Tính toán các thông số của lò 58

3.4 Kết quả mô phỏng 60

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG, KIỂM CHỨNG LỌC LAI GHÉP 62

4.1 Mô hình hệ thống lọc lai ghép 62

4.1.1 Tổng quan 62

4.1.2 Bộ lọc thụ động 62

4.1.3 Bộ lọc tích cực 63

4.2 Thiết lập thông số các bộ lọc 66

4.2.1 Bộ lọc thụ động 66

4.2.2 Tính toán các thông số của bộ lọc 68

4.3 Các kết quả mô phỏng 70

4.3.1 Khi lắp bộ lọc thụ động lọc sóng hài bậc 5 70

4.3.2 Khi lắp bộ lọc tích cực 71

4.3.3 Khi lắp bộ lọc lai ghép 72

4.4 Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng 79

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Giới hạn méo điện áp 13

Bảng 1.2 Giới hạn méo dòng điện (120V tới 69kV) 14

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 14

Bảng 3.1 Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước khi lọc 61

Bảng 4.1 Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước và sau khi lọc 74

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng .3

Hình 1.2 Sóng cơ bản và các sóng hài bậc 1, 2, 3 3

Hình 1.3 Các sóng hài bậc 1, 7, 10 4

Hình 1.4 Các sóng hài bậc 2, 8, 11 4

Hình 1.5 Các sóng hài bậc 3, 9 và 12 4

Hình 1.6 Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha 5

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 1 pha 7

Hình 1.8 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển 8

Hình 1.9 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha 8

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 8

Hình 1.11 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 8

Hình 1.12 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 9

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 9

Hình 1.14 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi α=300 .10

Hình 1.15 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi α = 500 10

Hình 1.16 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi α= 700 .11

Hình 1.17 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi α= 900 11

Hình 2.1: Bộ lọc thụ động nối tiếp 16

Hình 2.2: Bộ lọc thụ động song song 16

Hình 2.3: Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến .17

Hình 2.4: Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hưởng đơn 18

Hình 2.4: Đặc tính tổng trở của các loại bộ lọc thụ động phổ biến 21

Hình 2.5: Cấu hình hệ thống có thiết bị lọc sóng hài thụ động 22

Hình 2.6: Lược đồ thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động 23

Hình 2.7: Bộ lọc cộng hưởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số 24

Hình 2.8: Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến 25

Hình 2.9: Các tần số cộng hưởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống 26

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý AF kiểu kết nối song song 31

viii

Hình 2.11 Mô tả nguyên lý hoạt động của AF song song 31

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp 32

Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động của AFs 33

Hình 2.14 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực 33

Hình 2.15 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM 34

Hình 2.16 Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM 34

Hình 2.17 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM 35

Hình 2.18 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM 35

Hình 2.19 Cấu trúc điều khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực 36

Hình 2.20 Cấu trúc điều khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực 37

Hình 2.21 Phương pháp FFT 38

Hình 2.22 Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời 42

Hình 2.23 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực 43

Hình 2.24 Sơ đồ mô tả phương pháp điều khiển kiểu bang-bang 44

Hình 2.25 Điều khiển phát xung cho pha A bộ lọc tích cực 45

Hình 2.26 Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện pha A 46

Hình 2.27 Bộ lọc kiểu lai 47

Hình 3.1 Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến 48

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý lò nấu thép cảm ứng trung tần 49

Hình 3.3 Máy cắt 50

Hình 3.4 Cuộn kháng xoay chiều 50

Hình 3.5 Thyristor chỉnh lưu 51

Hình 3.6 Cuộn kháng lọc một chiều LD 51

Hình 3.7 Thyristor nghịch lưu 52

Hình 3.8 Vòng cảm ứng của lò trung tần 52

Hình 3.9 Tụ điện 53

Hình 3.10 Mô hình hệ thống cấp điện cho phụ tải nhà máy luyện thép 53

ix

Hình 3.11 Khối nguồn xoay chiều ba pha 54

Hình 3.12 Khối máy cắt và trở kháng đường dây 54

Hình 3.13 Khối đo lường dòng và áp 54

Hình 3.14 Mô hình khối hiển thị kết quả đo lường 55

Hình 3.15 Mô hình lò nấu thép cảm ứng trung tần 55

Hình 3.16 Cuộn kháng xoay chiều lõi không khí 56

Hình 3.17 Cuộn kháng lọc một chiều 56

Hình 3.18 Cầu chỉnh lưu ba pha điều khiển toàn phần 56

Hình 3.19 Cầu nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song một pha 57

Hình 3.20 Mạch điều khiển cầu NLCH nguồn dòng và mạch khởi động lò 57

Hình 3.21 Tải lò nấu thép cảm ứng trung tần 58

Hình 3.22 Dạng sóng dòng điện pha A của nguồn (mô hình) 60

Hình 3.23 Phổ dòng điện pha A của nguồn (mô hình) 60

Hình 4.1 Mô hình hệ thống lọc lai ghép 62

Hình 4.2 Sơ đồ bộ lọc thụ động 63

Hình 4.3 Mô hình khối tính toán dòng bù chuẩn 63

Hình 4.4 Khối chuyển điện áp trong hệ abc  64

Hình 4.5 Khối chuyển dòng trong hệ abc  64

Hình 4.6 Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ 64

Hình 4.7 Khối tính toán công suất bù cung cáp bởi mạch lọc 65

Hình 4.8 Khối tính toán dòng bù trong hệ αβ 65

Hình 4.9 Khối tính toán dòng bù trong hệ abc 65

Hình 4.10 Khối phát xung cho bộ nghịch lưu 66

Hình 4.11 Mô hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng khi lắp thêm bộ lọc thụ động 70

Hình 4.12 Kết quả sóng hài sau khi lọc thụ động 70

Hình 4.13 Mô hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng khi lắp thêm bộ lọc tích cực 71

Hình 4.14 Kết quả sóng hài sau khi lọc tích cực 71

Hình 4.15 Mô hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng khi lắp thêm bộ lọc lai ghép 72

Hình 4.16 Dạng sóng dòng điện và phổ dòng điện pha A của nguồn sau khi lọc 73

x

Hình 4.17 Dạng sóng dòng điện pha A của nguồn và tải sau khi lọc 73

Hình 4.18 Mô hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng sau khi lắp thêm cuộn kháng Lp 75

Hình 4.19 Dạng sóng dòng điện và phổ dòng điện pha A của nguồn sau khi lọc và lắp thêm cuộn kháng Lp 76

Hình 4.20 Dạng sóng dòng điện pha A của nguồn và tải sau khi lọc và lắp thêm Lp 76

Hình 4.21 Phổ điện áp pha A của nguồn 77

Hình 4.22 Dạng sóng dòng điện bù của bộ lọc cho pha A 77

Hình 4.23 Dạng sóng điện áp DC 78

Hình 4.24 Dạng sóng dòng điện ba pha của nguồn trước khi lọc 78

Hình 4.25 Dạng sóng dòng điện ba pha của nguồn sau khi lọc 79

Đây là những nguồn phát sinh ra sóng hài bậc cao Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây nhiều vấn đề như như gây phát nóng quá mức với những thiết bị có lõi từ, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá tải dây trung tính, ảnh hưởng tới các bộ điều khiển thiết bị, làm nhiễu tín hiệu và méo tín hiệu dòng điện

và điện áp gây ra tác động sai lệch của thiết bị bảo vệ, ảnh hưởng đến sai số của thiết bị đo làm cho kết quả đo không được chính xác

Giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện có thể chia ra ba nhánh chính:

Sử dụng bộ lọc thụ động, sử dụng bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép giữa hai dạng này Tuy giá thành đắt và chi phí bảo dưỡng cao nhưng bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép có khả năng loại trừ hầu hết các sóng hài phát sinh và rất hiệu quả trong việc

bù công suất phản kháng và tiết kiệm điện năng

Với mong muốn ứng dụng bộ lọc lai ghép để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng, nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng của sóng hài và tiết kiệm điện năng đặc biệt ứng dụng đối với các tải phi tuyến lớn trong sản xuất công nghiệp Tôi đã quyết

định chọn đề tài “Ứng dụng bộ lọc lai ghép để bù công suất phản kháng và lọc

sóng hài ”

2 Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu các nguồn phát sinh sóng hài và ảnh hưởng của sóng hài

- Phân tích cấu hình, chức năng của các bộ lọc sóng hài kiểu thụ động, chủ động và bộ lọc lai ghép

- Tính toán lựa chọn thông số của các phần tử trong bộ lọc sóng hài lai ghép

- Mô phỏng kiểm chứng hiệu quả của bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép

2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp bù thụ động kết hợp bù tích cực để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng cho lò nấu thép của nhà máy

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp lọc thụ động cộng hưởng kết hợp lọc tích cực theo thuyết công suất tức thời p-q của akagi

- Thiết kế mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm ra phương pháp tối ưu điều khiển bộ lọc lai ghép để lọc sóng hài, bù công suất phản kháng, tiết kiệm và nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện Đề tài hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tế

6 Cấu trúc luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về sóng hài và ảnh hưởng

Chương 2: Các phương pháp lọc sóng hài sử dụng bộ lọc

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng sóng hài lò nấu thép cảm ứng trung tần

bằng phần mềm Matlab/Simulink

Chương 4: Mô phỏng, kiểm chứng lọc lai ghép

Kết luận

3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI

VÀ ẢNH HƯỞNG

1.1 Giới thiệu chung

Các tải phi tuyến trong lưới điện là nguyên nhân gây ra méo sóng điện áp và dòng điện Theo phân tích Fourier, một sóng dòng điện hay điện áp hình sin khi bị méo dạng tương đương với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, còn lại là các thành phần sóng hài bậc cao Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ thuộc vào

độ méo dạng so với ban đầu

nh ng s ng sin hu n v sin m o ng

nh ng n v s ng h i ậ 1, 2, 3

Trong hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện hay điện áp các pha bị méo dạng

và các sóng hài bậc lẻ có thể phân biệt thành các thành thành phần thứ tự thuận, nghịch, không:

Thành phần thứ tự thuận gồm: các sóng hài bậc h1, h7, h10…

= Fn (sinnωt.cosψn +sinψn cosnωt)

Nếu quy ước:

X TDH

X



 

(1.4) Trong đó:

X1 là biên độ thành phần cơ bản

Xn là biên độ thành phần điều hòa bậc n

Từ (1.4) được triển khai áp dụng để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp:

Hệ số méo dạng dòng điện:

2

1

n n

I TDH

I



 

(1.5) Trong đó:

n n

U TDH

U



(1.6) Trong đó:

U1 là biên độ thành phần điện áp cơ bản

Un là biên độ thành phần áp hài bậc n

1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong lưới điện

Các sóng hài trong công nghiệp chủ yếu được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến Các phần tử phi tuyến điển hình là cuộn dây của máy biến áp, động cơ làm việc ở chế độ bão hòa mạch từ, các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, máy hàn, các hệ truyền động điện…

7

1.2.1 Máy biến áp

Hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp lực có thể sinh ra sóng hài bậc cao Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến tính trong đường cong B-H sẽ dẫn đến dòng điện từ hóa bị méo và có chứa các sóng hài bậc cao

1.2.2 Động cơ

Các sóng hài bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi biến dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính và do các cuộn cản dùng giảm dao động đặt không đối xứng

1.2.3 Thiết bị điện tử công suất

Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến gây sóng hài bậc cao

Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài sinh ra khác nhau Các mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưng sản sinh nhiều sóng hài Để giảm bớt sóng hài có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lai với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung

Ví dụ sóng hài gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:

- Chỉnh lưu cầu một pha: Giả sử xét với tải có tính cảm

Hình 1.7 đồ nguyên lý hỉnh lưu ầu pha

8

Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu:

Hình 1.8 òng điện lưới gây ởi ộ hỉnh lưu ầu một pha không điều khiển

Hình 1.9 Phổ òng điện hỉnh lưu ầu một pha

Chỉnh lưu cầu ba pha: các van bán dẫn có thể là GTO, diode, thyristor… Trường hợp chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:

Hình 1.10 đồ nguyên lý hỉnh lưu ầu a pha không điều khiển

Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lưu:

Hình 1.11 òng điện lưới gây ởi ộ hỉnh lưu ầu a pha không điều khiển

9

Hình 1.12 Phổ òng điện hỉnh lưu ầu a pha không điều khiển

Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn THD=28,52% Các thành phần sóng hài này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra Trong đó các thành phần sóng hài bậc 5, 7, 11 là chủ yếu

Đối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển như hình 1.11 Các kết quả mô phỏng cho ảnh hưởng đến dòng phía nguồn (đầu vào chỉnh lưu) như sau:

Hình 1.13 đồ nguyên lý hỉnh lưu ầu a pha điều khiển

Ứng với góc điều khiển là α=300

dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.14

10

Hình 1.14 òng điện phía lưới v phân tí h phổ khi α=30 0

Ứng ứng góc điều khiển là α=500 dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.15

Hình 1.15 òng điện phía lưới v phân tí h phổ khi α = 50 0

Ứng ứng góc điều khiển là α=700 dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.14

11

Hình 1.16 òng điện phía lưới v phân tí h phổ khi α= 70 0

Ứng ứng góc điều khiển là α=900 dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.17

Hình 1.17 òng điện phía lưới v phân tí h phổ khi α= 90 0

Từ phân tích ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha ta thấy khi thay đổi, góc góc điều khiển tăng thì các thành phần sóng hài bậc cao sinh ra càng lớn làm

độ méo dòng điện càng tăng

1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao

Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp Có thể thấy rõ qua công thức sau:

IRMS = √ ∫ dt = √∑ = √ (1.7) Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hay điện áp tăng

do sóng hài bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề:

- Tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện; ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu

- Giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện

- Các sóng hài bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp và tăng tổn thất điện năng

13

- Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, các sóng hài 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

- Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai): các sóng hài bậc cao có thể làm momen tác động của rơle bị thay đổi dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch

- Với các thiết bị đo: ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả

Với những tác hại như vậy việc quy định một tiêu chuẩn thống nhất về các thành phần sóng hài bậc cao trên lưới cần được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của chúng tới các thiết bị tiêu dùng điện khác và đảm bảo chất lượng điện năng Vì vậy, Việt Nam đã áp dụng tiêu chuẩn 519 của IEEE và 1000-4-3 của IEC về giới hạn thành phần sóng hài bậc cao trên lưới Cụ thể như sau:

Bảng 1.1 Giới hạn méo điện áp

Cấp điện áp Độ méo điện áp với sóng hài riêng lẻ (%) = Tổng độ méo điện áp

THD (%)

14

Bảng 1.2 Giới hạn méo dòng điện (120V tới 69kV)

Độ méo dòng điện tối đa (% của Itải)

(n)

Dòng hài có thể chấp nhận được (%)

Bậc sóng hài (n)

Dòng hài có thể chấp nhận được (%)

15

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP L C SÓNG H I SỬ DỤNG BỘ

L C 2.1 Giới thiệu tổng quát về bộ lọc sóng hài

2.1.1 Khái niệm lọc sóng hài

Nguyên tắc làm việc của một bộ lọc sóng hài lý tưởng đó là tạo ra được một tổng trở có giá trị vô cùng nhỏ đối với tần số cần lọc, đồng thời lại có giá trị vô cùng lớn với tần số công nghiệp Tuy nhiên trong thực tế bộ lọc có thể được thiết kế

có dải thông hẹp hay rộng khác nhau tùy theo yêu cầu cụ thể Có nhiều cấu trúc và nguyên lý làm việc hay điều khiển để đạt được mục tiêu này

2.2.1 Giới thiệu chung

Các phần tử chính tham gia cấu tạo nên bộ lọc thụ động bao gồm các phần tử tĩnh R, L, C Tùy theo số phần tử và cách đấu nối sẽ có được các cấu trúc bộ lọc khác nhau, dải thông theo yêu cầu

Trong sơ đồ lọc ba pha có hai loại bộ lọc là bộ lọc RC và bộ lọc LC Trong cả hai loại bộ lọc này đều có tụ điện, tụ điện có thể mắc hình tam giác hoặc hình sao Khi

tụ điện hình đấu sao có ưu điểm là tiết kiệm dung lượng tụ, nhưng không lọc được hết sóng hài điện áp dây

Khi tụ điện đấu hình tam giác có dung lượng tăng lên 3 lần, lọc được sóng hài cả điện áp dây và điện áp pha và đặc biệt trong mạng có trung tính thì có thể lọc được

cả thành phần thứ tự không do chuyển mạch van bán dẫn sinh ra

16

2.2.1.1 Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp

Cấu hình đơn giản của bộ lọc thụ động bù dọc như hình 2.2

Hình 2.1: Bộ lọ thụ động nối tiếp

Bộ lọc thụ động LC được thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hưởng dao động điện từ.Bộ lọc được thiết kế chỉ cho thành phần sóng cơ bản đi qua còn các thành phần sóng hài khác sẽ bị chặn lại bởi tổng trở lớn của bộ lọc

Ứng dụng lớn nhất của bộ lọc này làm bộ lọc sóng cao tần trong kênh thông tin tải ba, sử dụng dây điện truyền tin

2.2.1.2 Bộ lọc thụ động kiểu song song

Cấu hình bộ lọc thụ động bù ngang như hình 2.2

Hình 2.2: Bộ lọ thụ động song song

Bộ lọc thụ động LC bù ngang được thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hưởng

Bộ lọc được điều chỉnh cộng hưởng với một tần số nào đó khi đó bộ lọc sẽ trở thành đường dẫn trở kháng thấp cho những sóng hài nhất định.Thông thường trong hệ thống hay sử dụng các loại bộ lọc sóng hài bậc 5 và bậc 7 Các bộ lọc sóng hài bậc

3 là không cần thiết vì thành phần này có tính chất tương tự thành phần thứ tự không do đó sẽ bị chặn lại bởi các cuộn đấu tam giác trong máy biến áp, các hài bậc

Nguồn HT

Tải phi tuyến C

L

Bộ lọc

Nguồn HT

Thanh cái tổng

Tải phi tuyến Tải

Bộ lọc

Ih L

C

a Bộ lọc cộng hưởng đ n b Bộ lọc thông cao bậc 1

c Bộ lọc thông cao bậc 2 d Bộ lọc thông cao bậc 3

e Bộ lọc thông cao kiểu C 2.2.2.1 Bộ lọc cộng hưởng đ n:

Bộ lọc cộng hưởng đơn gồm có một tụ điện và kháng điện đấu nối tiếp Thông

số của tụ và kháng được lựa chọn để bộ lọc sẽ có tổng trở thấp (tổng trở lý tưởng bằng 0) tại tần số mong muốn (chính là tần số của sóng hài cần loại trừ)

Giá trị của bộ tụ C được lựa chọn để phần nào bù một phần công suất phản kháng của phụ tải để nâng cao hệ số công suất

Công suất phản kháng mà bộ tụ có thể phát ra được tính theo:

C

V Q

X



18

Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc có dạng như trong hình 2.4

Hình 2.4: Đặ tính tổng trở theo tần số ủa ộ lọ ộng hưởng đ n

Tổng trở của bộ lọc sẽ có giá trị thấp nhất khi tổng trở của thành phần điện cảm bằng với tổng trở của thành phần điện dung (nhưng ngược dấu) XL=XC

Từ quan hệ đó tính ra điện kháng cần thiết của bộ lọc:

(2.2) Giá trị điện trở của bộ lọc được lựa chọn tùy theo hệ số chất lượng Q của bộ lọc Hệ số chất lượng Q quyết định mức độ hẹp hay mở rộng của đặc tính tổng trở-tần số của bộ lọc và băng thông của bộ lọc Về mặt toán học Q được tính theo:

(2.3) Trong chương tiếp theo sẽ phân tích chi tiết phương thức lựa chọn giá trị Q này

Các bộ lọc thông cao có khả năng hút được một dải các các sóng hài tần số cao, giá trị của thành phần điện trở quyết định độ sắc của đặc tính lọc và đáp ứng của bộ lọc Với các bộ lọc thông cao (trừ bộ lọc thông cao bậc 1), giá trị Q xác định theo:

2

1 2

R



2.2.2.3 Bộ lọc thông cao bậc 2:

Bộ lọc thông cao bậc 1 về mặt cấu hình gồm một bộ tụ nối tiếp với kháng và điện trở song song Bộ lọc này hoạt động tương tự như bộ lọc cộng hưởng đơn với các sóng hài có tần số thấp vì tại tần số thấp thì trị số bộ kháng rất nhỏ, gần như nối tắt thành phần điện trở, bộ lọc trở thành tương tự như bộ lọc cộng hưởng đơn

Tại tần số cao, giá trị điện kháng trở tăng lên đáng kể, coi như hở mạch và như vậy bộ lọc trở lại tương tự như bộ lọc thông bậc 1

R Q L C



20

2.2.2.4 Bộ lọc thông cao bậc 3

Bộ lọc thông cao bậc 3 thể hiện tính dung tại dải tần thấp và tại tần số cơ bản Tại tần số cao bộ lọc thể hiện tính kháng Về mặt đáp ứng bộ lọc hoạt động tương tự như:

- Bộ lọc cộng hưởng đơn với sóng hài có tần số dưới tần số cộng hưởng

- Tương tự với bộ lọc thông cao bậc 1với sóng hài có tần số trên tần số cộng hưởng

Điều này được giải thích do tại tần số thấp thì điện kháng có giá trị nhỏ, nối tắt nhánh RC, tại tần số cao điện kháng có giá trị lớn sẽ gần như hở mạch nhánh kháng

và dòng điện hầu như chỉ chạy qua nhánh C2R Các bộ tụ C1 và C2 được tính toán

để cộng hưởng với kháng tại tần số mong muốn Bộ lọc thông cao bậc 3 có tổn thất công suất tại tần số cơ bản ít hơn so với bộ lọc thông cao bậc 2 do có bộ tụ C2 được chèn vào nối tiếp với điện trở R

2.2.2.5 Bộ lọc thông cao kiểu C

Bộ lọc thông cao kiểu C có cấu trúc khác một chút so với bộ lọc thông cao bậc 2: đổi vị trí của thành phần R và L

Đặc tính làm việc của bộ lọc này nằm giữa hai loại bộ lọc thông cao bậc 2 và bậc 3

21

Nhánh C3L được tính toán cộng hưởng tại tần số cơ bản, do vậy tại tần số cơ bản nhánh này có tổng trở rất thấp, coi như nối tắt thành phần R, giảm tổn hao tại tần số cơ bản Về nguyên tắt bộ lọc như vậy thể hiện tính dung tại tần số cơ bản (do thành phần C1)

Khi tần số tăng hơn, lúc này điện kháng L có thể trở thành cộng hưởng với (C1+C2)  bộ lọc hoạt động tương tự như bộ lọc cộng hưởng đơn với điện trở ổn định R

Tại tần số cao hơn nữa, điện kháng trở lên lớn và dòng điện chủ yếu chạy qua nhánh R và lúc này bộ lọc thể hiện như bộ lọc thông cao bậc 1

So sánh đặc tính tổng trở - tần số của các loại bộ lọc thụ động phổ biến:

22

Hình 2.5: ấu h nh hệ thống thiết lọ s ng h i thụ động

Tải phi tuyến được thay thế bởi nguồn phát sóng hài, dòng điện hài (I h) sẽ

chạy vào phía hệ thống (I s ) và vào bộ lọc sóng hài (I f)

Với ρ f và ρ s là các đại lượng phức thể hiện sự phân bố dòng điện hài giữa bộ

lọc và hệ thống Với hệ thống được thiết kế tốt thì độ lớn của ρ f xấp xỉ 0,995 và ρ s

xấp xỉ 0,005

Có thể thấy rằng hiệu quả lọc sóng hài phụ thuộc vào tổng trở nguồn: với hệ thống có tổng trở nguồn lớn (nguồn yếu) sóng hài sẽ hầu hết được hấp thụ bởi bộ lọc và ngược lại nếu hệ thống là vô cùng lớn thì hiệu quả lọc sóng hài sẽ rất thấp

Do hiệu quả lọc sóng hài phụ thuộc nhiều vào tổng trở nguồn nên quá trình thiết kế bộ lọc gồm nhiều bước, sau khi tính toán xong bộ lọc sẽ mô phỏng trên phần mềm để kiểm tra các thông số và nếu cần sẽ phải tính toán lại thông số bộ lọc cho phù hợp hơn Lược đồ thiết kế một bộ lọc thụ động thể hiện trên Hình 2.6

23

Dữ liệu đầu vào

Trở kháng Tải, phổ tần sóng hài

Điện dung, Công

suất phản kháng

cần dùng?

Thiết kế bộ lọc nhỏ nhất Không

Thêm bộ lọc song song

Thay đổi kiểu lọc

Hình 2.6: Lượ đồ thiết kế ộ lọ s ng h i thụ động

24

2.2.3.2 Các tham số cần lựa chọn trướ đối với bộ lọc cộng hưởng

a) Lựa chọn hệ số chất lượng Q cho bộ lọc

Xét bộ lọc như trong hình 2.7

Hình 2.7: Bộ lọ ộng hưởng đ n v đặ tính tổng trở theo tần số

Tổng trở của bộ lọc tính theo:

(2.7)

Hệ số chất lượng liên quan tới khả năng của bộ lọc để hấp thụ năng lượng tại tần số cộng hưởng Giá trị hệ số chất lượng Q đối với mạch RLC của bộ lọc cộng hưởng đơn được tính theo:

(2.8)

Về mặt hình thức, giá trị Q quyết định mức độ hẹp hay mở rộng của đặc tính tổng trở (băng thông lớn hay nhỏ) Bộ lọc có giá trị Q lớn (50÷100) sẽ có tổng trở biến đổi nhanh khi tần số lệch khỏi tần số cộng hưởng, và ngược lại bộ lọc có hệ số

Q thấp (0.5÷5.5) sẽ có tổng trở biến đổi ít trong một dải tần số lân cận tần số cộng hưởng

Căn cứ theo đặc tính của bộ lọc có thể thấy rằng, thành phần R (hay hệ số chất lượng) có ảnh hưởng mạnh tới khả năng hấp thụ sóng hài của bộ lọc, và tổn thất công suất trong bộ lọc Bộ lọc có hệ số Q lớn sẽ dễ hấp thụ lượng lớn sóng hài của

hệ thống và như vậy hiệu quả lọc sóng hài sẽ là tốt nhất, tuy nhiên điều này có thể gây quá tải bộ lọc Bộ lọc với hệ số Q nhỏ có thể xem xét sử dụng tại những địa

Q

25

điểm mà hàm lượng sóng hài nhỏ, chỉ vượt một phần mức qui định Đối với ứng

dụng công nghiệp, thông thường hệ số chất lượng Q được lựa chọn trong kho ng

50÷100

b) Lựa chọn tần số cộng hưởng cho bộ lọc

 Lý do cần lựa chọn tần số cộng hưởng khác với tần số sóng hài:

Bộ lọc sóng hài thụ động được điều chỉnh để hút sóng hài tại tần số đã được tính toán, tần số của các sóng hài thường là bội số nguyên của tần số cơ bản (50Hz) như 150Hz, 250Hz, 350Hz Tuy nhiên tần số cộng hưởng của bộ lọc thường không được chọn bằng đúng tần số sóng hài do các lý do sau đây:

Tổng trở quá thấp tại tần số sóng hài có thể làm cho tất cả dòng điện hài tại tần

số đó chạy vào bộ lọc  công suất bộ lọc cần chọn lớn hơn nhiều so với trường hợp chỉ cần loại trừ vừa đủ lượng sóng hài theo yêu cầu Chọn công suất lớn dẫn tới giá thành của bộ lọc sẽ cao

Tương tác giữa tổng trở bộ lọc và tổng trở hệ thống tạo thành một hệ thống có tần số cộng hưởng thấp hơn một chút so với tần số sóng hài đang được lọc Nếu bộ lọc được thiết kế cộng hưởng chính xác tại tần số sóng hài thì do sai số của thông số của các bộ tụ, kháng có thể làm cho thay đổi tần số cộng hưởng đã được thiết kế Thay vì tạo ra một bộ lọc với tổng trở thấp thì tổ hợp của bộ lọc và hệ thống lại tạo

ra một tần số cộng hưởng chung (tần số cộng hưởng song song) đúng tại tần số sóng hài Nếu điều này xảy ra sẽ dẫn tới tăng mức độ méo sóng, có khả năng khuyếch đại biên độ dao động điện áp Thêm vào đó các thay đổi của hệ thống cũng là một nguyên nhân gây ra tần số cộng hưởng chung bằng tần số sóng hài

Hình 2.8: đồ nối ộ lọ trong hệ thống điện t i phi tuyến

26

Xét bộ lọc sóng hài được lắp đặt trong một hệ thống có điện cảm (điện kháng)

trong là Ls Tương tác giữa các phần tử L, C của bộ lọc và L s của nguồn sinh ra hiện tượng cộng hưởng song song, sẽ tồn tại tần số tại đó tổng trở chung của toàn hệ thống và bộ lọc có giá trị rất lớn [5]

Tần số cộng hưởng song song này được tính theo:

Hình 2.9: tần số ộng hưởng thể xuất hiện khi ộ lọ trong hệ thống

Như vậy chọn tần số cộng hưởng thấp hơn tần số sóng hài có tác dụng dịch chuyển tần số cộng hưởng song song ra xa ngoài tần số sóng hài, tránh cộng hưởng gây quá điện áp

 Các yếu tố gây ra hiện tượng d ch chuyển tần số cộng hưởng:

Xét tới hư hỏng của các phần tử tụ trong bộ lọc: các bộ tụ bù thường được

trang bị cầu chì để bảo vệ trong trường hợp phần tử tụ bị đánh thủng Khi cầu chì hoạt động, phần tử tụ sẽ bị loại ra và làm giảm điện dung của bộ tụ, do vậy làm tăng tần số cộng hưởng

Sai số chế t o: Quá trình sản xuất thiết bị bắt buộc phải có sai số đối với cả

các bộ tụ và kháng điện, ngoài ra điện dung của tụ thay đổi theo nhiệt độ, các phần

tử đều già hóa theo thời gian Khi bộ tụ bị già hóa, giảm điện dung sẽ làm dịch tần

số cộng hưởng sát tới tần số của sóng hài (điều này thực tế làm tăng hiệu quả hút

Trong quá trình bảo dưỡng, thay thế thiết bị cũng làm yếu nguồn

Các đường dây có thể thay đổi cấu hình vận hành tùy theo mùa

Thông thường tần số cộng hưởng của bộ lọc được chọn thấp hơn so với tần số sóng hài từ xấp xỉ 3% đến 15% Việc lựa chọn này vẫn đảm bảo bộ lọc có đủ khả năng loại trừ sóng hài trong khi tránh được hiện tượng dịch chuyển tần số cộng hưởng như đã trình bày

2.2 phư ng tr nh sử dụng trong tính toán thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đ n

Việc tính toán tham số bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn bao gồm nhiều bước Các số liệu cần thu thập bao gồm điện áp định mức của mạng điện, tần số hài cần loại trừ, bộ lọc đặt trong nhà hay ngoài trời, số liệu tổng trở của hệ thống và các phần tử lân cận Công suất của tải, hệ số công suất, số liệu đo đạc về sóng hài tại địa điểm cần lắp đặt bộ lọc

Về cơ bản, các bước chính khi thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn như sau:

Bước 1: Lựa chọn loại sóng hài cần loại trừ

Bước 2: Tính toán lượng công suất phản kháng bộ lọc cần phát ra để cải thiện

hệ số công suất đến mức yêu cầu

Giá trị bù đến bao nhiêu tùy thuộc yêu cầu của điện lực Giá trị công suất phản kháng bù được này luôn nhỏ hơn giá trị công suất ghi trên bộ lọc do hiệu ứng bù triệt tiêu giữa bộ tụ và kháng

Từ lượng CSPK yêu cầu này sẽ tính toán ra được trị số của bộ tụ

Trong đó: Q C yeu cau là lượng CSPK yêu cầu tại tần số cơ bản

P: công suất tác dụng của phụ tải

PF 1 & PF 2: hệ số công suất yêu cầu và hệ số công suất thực của phụ tải

Giá trị dung kháng của bộ lọc (bao gồm cả kháng và tụ) tính theo:

Q

Bước 3: Lựa chọn tần số cộng hưởng của bộ lọc và tính toán giá trị điện kháng

cũng như điện trở của bộ lọc

Dựa theo số liệu đo đạc về sóng hài, sơ bộ lựa chọn tần số cộng hưởng của bộ lọc Mục đích của bộ lọc là để giảm độ méo sóng của dòng điện và điện áp đến ngưỡng cho phép theo qui định Để đạt được yêu cầu này thường bộ lọc được chọn

để cộng hưởng với tần số hài thấp nhất của dòng điện hài lớn nhất Ví dụ biên độ dòng điện hài thường là lớn nhất đối với sóng hài bậc 5 và bậc 7

Trong nhiều trường hợp một bộ lọc cộng hưởng bậc 5 là có thể đã đủ để giảm mức độ méo sóng tới ngưỡng qui định

Giả thiết cần loại trừ sóng hài bậc h  tại tần số hài bậc h thì điện kháng của kháng bằng với dung kháng của tụ X Lh =X Ch, trong đó:

X

L

X h X



Tại tần số cơ bản:

2

C boloc C L C

29

Giá trị X C đã biết tính ra giá trị điện kháng tại tần số cơ bản tính theo

2

C L

X X h

L C R

Q

Bước 4: Lựa chọn tham số các bộ tụ và kháng theo chuẩn chế tạo trên thị

trường Sau đó kiểm tra lại để đảm bảo rằng các phần tử tụ vận hành trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn Std IEEE 18

Bước 5: Kiểm tra các thông số của bộ tụ có nằm trong giới hạn cho phép của

tiêu chuẩn IEEE-18 (2002)

Bộ tụ là phần tử nhạy cảm với điện áp, thường điện áp đặt lên bộ tụ trong bộ lọc cộng hưởng đơn sẽ cao hơn so với khi hoạt động trong môi trường không có sóng hài Sóng hài điện áp có thể làm tăng điện áp đỉnh hoặc tăng giá trị hiệu dụng của điện áp, do vậy bộ tụ phải chịu được điện áp này và người thiết kết phải đảm bảo điện này không vượt quá ngưỡng qui định

Điều kiện kiểm tra bao gồm:

Dòng điện hiệu dụng bao gồm cả thành phần sóng hài chạy qua bộ tụ không vượt quá 180% dòng điện định mức: