Nghiên cứu mô phỏng thiết bị lọc họa tần và bù công suất phản kháng dùng logic mờ

Mặc dù hiện nay, khi máy phát có thể cung cấp điện áp gần hoàn toàn sin, nhưng khi dòng điện chạy qua trở kháng hệ thống có thể gây ra các loại biến động điện áp như: sụt áp, sét đánh gâ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA - o 0 o -

-

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN CAO HỌC

Họ và tên: TRẦN QUANG THỌ Giới tính: Nam

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Khóa: 2000

I-TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG THIẾT BỊ BÙ LỌC DÙNG LOGIC MỜ

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

ƒ Nghiên cứu cấu tạo và tính năng thiết bị của thiết bị bù công suất phản kháng dùng

ƒ Nghiên cứu vấn đề họa tần và phương pháp lọc họa tần trên cơ sở giới hạn

519-1992 của IEEE

ƒ Nghiên cứu việc ứng dụng logic mờ trong điều khiển SVC

ƒ Lập mô hình và mô phỏng thiết bị bù công suất phản kháng và lọc họa tần cho một phụ tải tiêu biểu

ƒ Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của thiết bị

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20-05-2002

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20-12-2002

V- HỌ VÀ TÊN CÁC BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN I:

VII- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN II:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ PHẢN BIỆN I CÁN BỘ PHẢN BIỆN II

TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Nội dung Đề cương Luận văn đã được thông qua Hội Đồng Chuyên Ngành

Tp.HCM, ngày tháng 12 năm 2002

PHÒNH QLKH-SAU ĐẠI HỌC CHỦ NHIỆM NGÀNH

LỜI CẢM TẠ

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Ts Nguyễn Hữu Phúc, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vô cùng quí giá và dìu dắt em trong quá trình thực hiện luận văn

Xin vô cùng biết ơn Ba Mẹ và gia đình đã vất vả nuôi con khôn lớn, tạo mọi điều kiện để con được học tập cho đến ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy Cô đã giảng dạy, truyền đạt tri thức giúp em trưởng thành trong nghề nghiệp và tự tin trong cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy cô Phòng Quản Lý và Đào Tạo Sau Đại Học, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hcm đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt khóa học

Xin chân thành cảm ơn Ban Chủ Nhiệm, Thầy cô, anh em, bạn bè đồng nghiệp tại Khoa Điện-Điện Tử, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã giúp đỡ động viên, tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập, giúp em hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn các anh chị học viên cao học ngành hệ thống điện và kỹ thuật điện khoá 11 đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận văn

MỤC LỤC

I 2 1 Vấn đề chất lượng điện năng ở Việt Nam 1

I 5 Các thuật ngữ

Chương II CƠ SỞ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

VÀ LỌC SÓNG HÀI

3

II.1 Cơ sở bù công suất phản kháng

II.1 1 Các thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng 4II.1 2 Các nguồn phát công suất phản kháng 4

II.1 3.1 Nguyên tắc chung của điều chỉnh điện áp 6II.1 3.2 Công thức gần đúng cho việc điều chỉnh điện áp 9II.1 4 Cân bằng pha và hiệu chỉnh hệ số công suất các phụ tải

II.2 Thiết bị bù nhuyễn công suất phản kháng (SVC)

II.3 Vấn đề sóng hài

II.3 3 Các đại lượng điện trong điều kiện không sin 25

II.3 5 Các giới hạn về sóng hài 519-1992 của IEEE

II.3 5.2 Các lưu ý khi áp dụng 519-1992 của IEEE 32

II.3 5.4 Qui trình chung khi áp dụng các giới hạn họa tần 35

Luận Văn Cao Học

Chương III KHÁI NIỆM VỀ LOGIC MỜ

Chương IV MÔ PHỎNG CHO MỘT TRƯỜNG HỢP HỆ

THỐNG TIÊU BIỂU

IV 2 Phương án bù lọc và giải thuật điều khiển 46

IV 2.2 Tính dung lượng công suất phản kháng cần bù 49

IV 2.3 Thiết kế bộ điều khiển tính góc kích cho TCR 50

Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

Chất lượng điện năng là một trong những vấn đề mà người bán lẫn người mua cũng như các nhà sản xuất thiết bị điện đều quan tâm ngày càng nhiều hơn Nó càng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xu thế hội nhập và phát triển của nước ta trong mọi lĩnh vực Chất lượng điện năng, đó là chất lượng của điện áp và dòng điện Dĩ nhiên, luôn có một mối quan hệ mật thiết giữa điện áp và dòng điện trong bất kỳ một hệ thống điện nào Mặc dù hiện nay, khi máy phát có thể cung cấp điện áp gần hoàn toàn sin, nhưng khi dòng điện chạy qua trở kháng hệ thống có thể gây ra các loại biến động điện áp như: sụt áp, sét đánh gây xung áp làm hỏng cách điện, tải phi tuyến sinh dòng họa tần cũng làm méo dạng dòng điện và điện áp, việc đóng cắt tụ bù, thiết bị công suất lớn gây ra quá độ điện áp và nhiều hiện tượng khác làm cho các thiết bị vận hành sai hoặc bị hỏng, sử dụng công suất không hiệu quả gây ra các tổn hao,… Nói chung, lý do cơ bản để tất cả chúng ta quan tâm đến chất lượng điện năng đó là giá trị kinh tế

I.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

I.2.1 Vấn Đề Chất Lượng Điện Năng Ở Việt Nam:

Như chúng ta đã biết, mạng phân phối cũng có ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của toàn hệ thống, đó là: chất lượng cung cấp điện, tổn thất điện năng, vốn đầu tư xây dựng, xác suất sự cố… Ở Việt Nam, do lịch sử sự phát triển, lưới điện của các miền khác nhau, lưới điện tồn tại nhiều cấp điện áp phân phối khác nhau Phương thức cấp điện hỗn hợp cả mô hình một cấp điện áp phân phối và 2 cấp điện áp phân phối Việc phát triển lưới điện có tính chắp vá do khó khăn về vốn đầu tư, phụ tải phát triển nhanh và chưa có qui hoạch tổng thể, do vậy chất lượng cung cấp điện kém (sụt áp cao, tổn thất lớn, sự cố nhiều…)

Các đường dây quá dài, mang tải lớn vượt khả năng của cấp điện áp đang sử dụng Ngoài ra, các thiết bị điện vận hành trên lưới cũng như phụ tải chưa có qui định về các chỉ tiêu kỹ thuật để nâng cấp chất lượng lưới như: các thông số kỹ thuật, hiệu suất thiết bị, phụ tải điện chưa có qui định về hệ số công suất, chế độ làm việc, số lượng sóng hài (họa tần) cũng như chưa có chương trình quản lý phụ tải, dẫn đến chất lượng cung cấp kém Do vậy, việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cần thiết, trong đó việc nghiên cứu bù công suất phản kháng, lọc sóng hài để giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp, hệ số công suất, hạn chế các dao động lớn về điện áp do các phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng lớn và thay đổi nhiều như các lò hồ quang, và các nhiễu loạn trên lưới do ảnh hưởng của các sóng hài bậc cao nhằm cải thiện chất lượng cung cấp điện và tăng hiệu quả kinh tế là công việc đang được ngành điện quan tâm

Như đã nêu ở trên, cho thấy nhu cầu nâng cao chất lượng điện năng là một nhu cầu bức thiết Để làm được việc này, cần thực hiện nhiều việc, trong đó việc bù công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp và lọc sóng hài gây nhiễu loạn là những vấn đề quan trọng hàng đầu Trong khuôn khổ đề tài, tác giả nghiên cứu, mô phỏng việc bù công suất phản kháng và lọc sóng hài cho lưới điện cung cấp của một hộ phụ tải công nghiệp với nhiều phụ tải phức tạp dùng logic mờ nhằm góp phần nâng cao chất lượng điện năng Cơ sở đánh giá sóng hài dựa theo tiêu chuẩn 519-1992 của IEEE Cơ sở lý thuyết bù công suất phản kháng và lý thuyết về sóng hài cũng như các khái niệm về logic mờ đều được trình bày, để từ đó có cơ sở phân tích, lựa chọn phương án bù lọc cho hệ thống điển hình Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy hiệu quả của việc cải thiện chất lượng điện năng

I.3 ƯU ĐIỂM CỦA ĐỀ TÀI:

Đề tài nghiên cứu của tác giả có những ưu điểm sau:

* Hiệu quả cải thiện chất lượng điện năng rất cao

* Cân bằng 3 pha nguồn khi tải không cân bằng

* Dùng các bộ điều khiển logic mờ nhằm đơn giản hóa thuật toán điều khiển

• Cho thấy được tác hại của sóng hài để mạnh dạn đề nghị ngành điện ở Việt Nam sớm có qui định về hàm lượng sóng hài khi mà lưới điện ngày càng có nhiều phụ tải đòi hỏi chất lượng điện cung cấp ngày càng cao trong thị trường động

I.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN:

Nội dung nghiên cứu của tác giả được trình bày trong luận văn gồm các chương sau:

Chương I: Giới thiệu – nhằm trình bày mục tiêu nghiên cứu cũng như ưu điểm của

đề tài

Chương II: Cơ Sở Bù Công Suất Phản Kháng Và Lọc Sóng Hài – trình bày

nguyên tắc bù công suất phản kháng và các chức năng của thiết bị bù công suất phản kháng Đồng thời cũng nêu lên các tác hại của sóng hài và phương pháp khử chúng

Chương III: Khái Niệm Về Logic Mờ – giới thiệu sơ lược về logic mờ

Chương IV: Mô Phỏng Cho Một Trường Hợp Hệ Thống Tiêu Biểu - trình bày

việc áp dụng các nội dung đã nghiên cứu để mô phỏng cho một hệ thống cung cấp điện điển hình dùng phần mềm Matlab

Chương V: Kết Luận – nhận xét chung về kết quả mô phỏng và nêu xu hướng

phát triển của đề tài

I.5 CÁC THUẬT NGỮ:

- Họa tần (harmonics): các sóng hài gây bất lợi cho hệ thống điện

- Thiết bị bù lọc: thiết bị bù công suất phản kháng có lọc sóng hài

- PCC (point of common coupling): điểm nối chung mà điện lực cung cấp điện cho các khách hàng khác nhau

- THD (total harmonic distortion): chỉ số méo dạng toàn phần

- TDD (total distortion deman): chỉ số méo dạng nhu cầu

- PID mờ: bộ điều khiển PID dùng logic mờ

- SVC (static var compensator): thiết bị bù nhuyễn công suất phản kháng

- TCR (thyristor controlled reactor): cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor

- TSC (thyristor switched capacitor): tụ điện chuyển mạch bằng thyristor

II.1 CƠ SỞ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

II.1.1 Các Thiết Bị Tiêu Thụ Công Suất Phản Kháng:

Công suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây tải điện và ở các thiết bị điện có từ trường Yêu cầu công suất phản kháng chỉ có thể giảm đến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu vì nó cần thiết để tạo ra từ trường và là yếu tố cần thiết trung gian trong quá trình chuyển hóa điện năng

Sự tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới điện có thể được phân chia một cách gần đúng như sau:

- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60 đến 65%

- Máy biến áp tiêu thụ 22 đến 25%

- Đường dây tải điện và các phụ tải khác 10%

Như vậy, động cơ không đồng bộ và máy biến áp tiêu thụ nhiều công suất phản kháng nhất Việc tạo ra công suất phản kháng cung cấp cho phụ tải không nhất thiết phải lấy từ nguồn mà có thể cung cấp trực tiếp cho phụ tải gọi là bù (tụ bù, thiết bị bù đồng bộ)

Nhu cầu công suất phản kháng cao chủ yếu ở các xí nghiệp công nghiệp, hệ số công suất cosϕ của chúng khoảng 0.5 đến 0.8 nghĩa là cứ 1kW công suất tác dụng thì chúng cần 0.75 đến 1.7kVar công suất phản kháng

Trong các nhà máy công nghiệp, các động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 65 đến 75%, có khi lớn hơn công suất tác dụng của nó, động cơ có tốc độ thấp và hiệu suất kém tiêu thụ công suất phản kháng càng tăng Máy biến áp 15 đến 22%, các tải khác khoảng 5 đến 10% tổng dung lượng công suất phản kháng yêu cầu Do vậy, phải chú ý đến các động cơ không đồng bộ và máy biến áp Nhu cầu công suất phản kháng ở tải sinh hoạt dân dụng không nhiều vì cosϕ của chúng khoảng 0.9 Tuy nhiên, các đèn huỳnh quang có chấn lưu nên cosϕ khoảng 0.3 đến 0.5, với các đèn ống hiện đại có các bộ khởi động điện tử có cosϕ gần bằng 1, nhưng lại sinh sóng hài Nhu cầu công suất phản kháng ở các máy biến áp công suất nhỏ là 10% công suất định mức, ở máy biến áp lớn là 3% còn ở máy biến áp cao áp là 5 đến 10% công suất định mức để hạn chế dòng ngắn mạch Đặc điểm của công suất phản kháng cũng biến thiên theo thời gian như công suất tác dụng

II.1.2 Các Nguồn Phát Công Suất Phản Kháng:

Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế vì cosϕ khá cao (0.8 đến 0.85 và cao hơn) Vì lý do kinh tế, nên không chế tạo máy phát có khả năng phát nhiều công suất phản kháng cho tải mà chỉ đảm bảo một phần nhu cầu công suất phản kháng của tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm nhận

Các đặc điểm của các nguồn phát công suất phản kháng:

• công suất phản kháng chủ yếu được phát từ máy bù đồng bộ và tụ bù

• Ưu điểm của tụ điện:

- Chi phí theo một Var của tụ rẻ hơn thiết bị bù đồng bộ và đặc biệt khi dung lượng bù càng tăng

- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ rất nhỏ (khoảng 0.05 W/kVar) trong khi máy bù đồng bộ thì lớn hơn (15-32W/kVar tùy theo công suất định mức của máy)

- Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ

- Tụ bù có thể lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rãi trên lưới phân phối Hiệu quả là cải thiện tốt hơn đường cong phân bố điện áp, không cần người trông nom, vận hành, việc bảo dưỡng, sửa chữa đơn giản

• Nhược điểm của tụ điện:

- Tụ điện điều chỉnh theo cấp còn máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh trơn

- Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ công suất phản kháng còn tụ chỉ có thể phát

ra công suất phản kháng

- Công suất phản kháng tụ phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành Thời gian vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng khi bị ngắn mạch, quá áp

Tuy nhiên, các nhược điểm của tụ bù hiện nay đã dần được khắc phục, để điều chỉnh trơn thì dùng SVC bằng cách kết hợp TCR và TSC Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, ta lắp các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp Tóm lại, với ưu điểm vượt trội, hiện nay dùng tụ bù công suất phản kháng rất phổ biến

* Các lợi ích khi lắp đặt các thiết bị bù:

+ Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ tối đa của hệ thống điện, do đó tăng độ tin cậy

+ Giảm nhẹ tải cho các máy biến áp trung gian và các đường trục trung áp do giảm chuyển tải công suất phản kháng và hiệu quả là thời gian cải tạo nâng dung lượng, nâng tiết diện dây dẫn được kéo dài hơn

+ Giảm được tổn thất điện năng

+ Cải thiện chất lượng điện áp cung cấp cho phụ tải

+ Cải thiện hệ số công suất

+ Cân bằng tải

Như vậy, việc nâng cao hệ số công suất mang lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế, nhất là giảm tiền điện Cải thiện hệ số công suất cho phép sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt, dây cáp, nhỏ hơn, đồng thời giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong mạng điện Để cải thiện hệ số công suất của mạng điện, cần một bộ tụ làm nguồn phát công suất phản kháng gọi là bù công suất phản kháng

Trong mạng điện hạ áp, việc bù công suất phản kháng thực hiện bằng:

- Tụ điện với lượng bù cố định điều khiển bằng tay, bán tự động hoặc mắc trực tiếp vào tải

- Thiết bị điều chỉnh bù tự động hoặc một bộ tụ cho phép điều chỉnh liên tục tùy theo yêu cầu khi tải thay đổi

- Việc dùng bộ lọc tích cực thường phù hợp cho công suất nhỏ vì giá thành linh kiện

Khi dung lượng bù vượt quá 800kVar và tải tiêu thụ có tính liên tục và ổn định, việc lắp tụ bù ở trung thế thường có hiệu quả kinh tế tốt hơn

- Việc bù ứng động thường được thực hiện bằng các phương tiện điều khiển đóng ngắt từng bộ tụ công suất được đặt tại thanh cái của tủ phân phối chính hoặc tại đầu nối của cáp trục chịu tải lớn Khi thực hiện bù chính xác bằng giá trị tải yêu cầu sẽ tránh được hiện tượng quá áp khi tải giảm xuống thấp, và do đó khử bỏ các điều kiện phát sinh quá điện áp và tránh các thiệt hại xảy ra cho các trang thiết bị

- Nếu dung lượng bù nhỏ hơn 15% máy biến áp nguồn thì nên sử dụng bù nền Nếu dung lượng bù lớn hơn 15% máy biến áp nguồn thì nên dùng bù ứng động

- Bù tập trung nên áp dụng khi tải ổn định và liên tục Bù nhóm dùng khi mạng điện quá lớn và tải các nhóm thay đổi Bù riêng khi công suất động

cơ là đáng kể (dung lượng bù khoảng 25% công suất động cơ) Đối với động cơ cảm ứng cần đảm bảo công suất của tụ bù nhỏ hơn giá trị có thể gây ra hiện tượng tự kích Không nên bù cho các động cơ đặc biệt (động

cơ bước, động cơ thường đảo chiều, hãm ngược)

II.1.3 Điều Chỉnh Điện Áp

II.1.3.1 Nguyên tắc chung của điều chỉnh điện áp:

Một trong các phương pháp để duy trì điện áp tại điểm cung cấp không đổi, là ta lắp đặt một thiết bị bù công suất phản kháng có thể điều chỉnh theo nhu cầu phụ tải

Việc điều chỉnh điện áp được xem như là điều chỉnh độ sụt áp tính theo % Nếu hệ thống cung cấp được biểu diễn bằng mạch tương đương Thevenin một pha

ở hình 2.1a thì độ sụt áp tính theo % là:

) 1 2 (

% 100

x U

U

E −

với U là điện áp pha chuẩn

Khi không có thiết bị bù, sự thay đổi của điện áp cung cấp do dòng phụ tải ILgây ra được biểu diễn ở hình 2.1b trên là ΔU

)2.2(

L

S I Z U E

Δ(với ZS = RS + jXS)

U

jQ P

)(

X R

L S L S L

S L S L

L S S

U j U U

U

Q R P X j U

Q X P R U

jQ P jX R U

Δ+Δ

=Δ

−+

Mạch tương đương của phụ tải và hệ thống cung cấp điện

b) Đồ thị vectơ pha cho hình 2.1a khi chưa bù

Đồ thị vectơ pha cho hình 2.1a khi đã bù để điện áp không đổi

c) Hình 2.1 a)

c)

Sự thay đổi điện áp có thành phần ΔUR cùng pha với U và thành phần ΔUx

vuông góc với U Điều này có nghĩa là biên độ và pha của U có liên quan đến điện áp cung cấp E, liên quan đến biên độ và pha của dòng điện phụ tải, hay nói cách khác, độ sụt điện áp phụ thuộc vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải

Khi thêm thiết bị bù nối song song với tải, có thể làm cho ⏐E⏐=⏐U⏐, tức là làm cho sự thay đổi điện áp bằng 0 hay giữ cho biên độ điện áp cung cấp không đổi

ở giá trị E khi có tải, đối với thiết bị bù công suất phản kháng Công suất phản kháng QL ở phương trình trên được thay bằng tổng:

)5.2(

C L

2 2

2

U

Q R P X U

Q X P R U

+

++

=

Giá trị yêu cầu của QC được xác định bằng cách giải phương trình (2.6) theo

QS với ⏐E⏐= U, khi đó: Qc = Qs - QL nên Qs có dạng:

a2QS2 + bQS + c = 0 (2.7) Điều quan trọng ở đây là luôn luôn có đáp số cho QS bất kể giá trị nào của

PL.Điều này có nghĩa là: một thiết bị bù công suất phản kháng có thể hoạt động như một bộ điều áp lý tưởng Cần phải thừa nhận rằng chỉ có biên độ điện áp là điều khiển được còn góc pha của nó thay đổi liên tục theo dòng điện phụ tải

Như vậy, một thiết bị bù công suất phản kháng có thể giảm công suất phản kháng do hệ thống nguồn cung cấp về không Tức là thiết bị hoạt động như là một thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất Nếu thiết bị được thiết kế để làm điều này, chúng ta có thể thay đổi phương trình QS = QL + Qc =0 Điện áp thay đổi là:

)8.2()

(

U

P jX R

Δ

Giá trị này độc lập với QL và không bị thiết bị bù điều khiển Vì vậy, thiết bị bù công suất phản kháng không thể một lúc vừa duy trì điện áp không đổi vừa duy trì hệ số công suất đồng nhất

Ngoại lệ, duy nhất đối với quy tắc này là khi PL = 0 , nhưng điều này nói chung là không thực tế Điều quan trọng cần chú ý là nguyên tắc này áp dụng cho hệ số công suất tức thời

II.1.3.2 Công thức gần đúng cho việc điều chỉnh điện áp.

Các biểu diễn của ΔUx và ΔUR trong phương trình (2.4) đôi lúc được cho ở dạng khác như sau:

Nếu hệ thống bị ngắn mạch ở thanh cái phụ tải thì công suất ngắn mạch biểu kiến sẽ là:

2

∗

=+

=

SC SC

SC SC

SC

Z

E EI

jQ P

S

(SC: short circuit)

với ZSC = RS+jXS (ISC là dòng điện ngắn mạch)

do ⏐ZSC*⏐=⏐ZSC ⏐ nên RS =⏐ZSC⏐cosϕSC = E2cosϕSC / SSC (2.10) và XS=E2 sinϕSC / SSC (2.11) và tgϕSC =XS / RS (2.12) là tỉ số X/R của hệ thống cung cấp Thay vào phương trình (2.4) cho RS và XS

chuẩn hóa ΔUR và ΔUx theo U và giả thiết E / U ≈1 ta có:

)13.2()

sincos

(

1

SC L

SC L

SC

R

Q P

S U

Δ

)14.2()

cossin

(

1

SC L

SC L

SC

S U

U

ϕ

≈Δ

ΔUx thường được bỏ qua, vì nó chỉ có khuynh hướng tạo ra sự thay đổi ở một pha tại điểm cung cấp (liên quan đến E), sự thay đổi về biên độ của ΔU được thể hiện bởi ΔUR Tuy gần đúng, song các công thức trên có lợi vì nó được biểu diễn theo các đại lượng thông thường: công suất ngắn mạch SSC , tỉ số X/R (tức là tgϕSC), công suất tác dụng PL và công suất phản kháng QL của phụ tải.Để có kết quả chính xác, các biểu diễn ở phương trình (2.13) phải nhân với E2 / U2

Sự thay đổi của ΔU gắn liền với sự thay đổi của phụ tải, nên các phương trình trên cũng có giá trị đối với các thay đổi nhỏ của PL và QL, do vậy:

)15.2()

sincos

(

1

SC L

SC L

SC

S U

U

ϕ

ϕ +ΔΔ

≈Δ

Nếu điện trở nguồn RS nhỏ hơn nhiều so với điện kháng XS thì cho phép bỏ qua các thay đổi điện áp gây ra bởi các thay đổi của công suất tác dụng ΔP Do đó, việc điều chỉnh điện áp được thực hiện theo phương trình:

)16.2(sin

SC

L SC

SC

L X

S

Q S

Q U

U U

Một cách thể hiện khác là:

)17.2()

1(

Mặc dù đặc tính này chỉ là gần đúng nhưng rất có ích vì nó cho thấy được hoạt động của thiết bị bù

II.1.4 Cân Bằng Pha và Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất Của Các Phụ Tải Không Đối Xứng Bằng Các Thành Phần Đối Xứng

Ở phần trước chúng ta đã xem xét việc bù phụ tải dựa trên từng pha hay một pha Bây giờ chúng ta đề cập đến mục tiêu thứ ba của bù phụ tải: Cân bằng các phụ tải ba pha không cân bằng (không đối xứng)

Khi phát triển khái niệm thiết bị bù lý tưởng sử dụng cho việc hiệu chỉnh hệ số công suất và điều chỉnh điện áp, chúng ta đã mô hình hóa thiết bị bù như là một nguồn công suất phản kháng điều khiển được và là một thiết bị phản kháng với đặc tính điều khiển điện áp không đổi

Giả thiết rằng điện áp nguồn cung cấp là cân bằng Phụ tải nối với lưới được biểu diễn như ở hình 2.3

Để cân bằng dòng điện nguồn cung cấp cho phụ tải, ta phải biết điện dẫn bù cho từng pha tải không cân bằng Bây giờ việc phân tích phụ tải không cân bằng phải được khai triển theo điện áp và dòng điện thực tế của đường dây Vì các dòng điện và điện áp này có thể đo được, công thức tính điện dẫn bù cần thiết cũng được biểu diễn theo chúng Một khó khăn khi phân tích theo phương pháp này là không có cách chính xác để xác định về mặt toán học rằng các dòng điện trong hệ thống được bù phải được cân bằng Khó khăn này được giải quyết bằng cách chuyển các dòng điện và điện áp thành các thành phần đối xứng của chúng Sau đó áp dụng sự chuyển đổi ngược lại để các điện dẫn bù cần thiết được thể hiện theo dòng điện và điện áp thực tế của đường dây

Tải 3 pha không cân bằng

Hình 2 4 a) Tải 3 pha không cân bằng tổng quát

b) Đấu nối điện dẫn bù cho từng pha c) Tải kết quả, không cân bằng có hệ số công suất đồng nhất

Việc sử dụng các thành phần đối xứng cũng có ích khi xác định hoạt động của các loại thiết bị bù khác nhau Khi tải không cân bằng, các thiết bị bù khác nhau về các đặc tính thành phần thứ tự nghịch của chúng

Tải không cân bằng ở hình 2.4a được cung cấp bởi hệ thống ba pha cân bằng với thành phần thứ tự pha thuận Các điện áp pha hiệu dụng là:

2

32

13

2

j e

h= j =− +Π

điện áp dây là:

U h U U U

U h h U U U

U h U

U U

a c ca

c b bc

b a ab

)1(

)20.2()

(

)1(2 2

1(

)(

)1(2 2

U h h Y U Y I

U h Y

U Y I

ca L ca ca L ca

bc L bc bc L bc

ab L ab ab L ab

Các dòng điện đường dây là:

)22.2()]

()1([

)]

1()([

)]

1()1([

2

2 2

Y I I I

U h Y

h h Y I I I

U h Y h Y

I I I

bc L ca

L bc ca c

ab L bc

L ab bc b

ca L ab

L ca ab a

Các thành phần đối xứng của dòng điện dây:

)23.2(

333

2 2

2 1

=

++

=

++

=

c b a

c b

a

c b a

hI I h I I

I h hI I I

I I I I

Với I0, I1, I2 là các vectơ pha chuẩn của các dòng điện thứ tự không, thứ tự thuận và thứ tự nghịch của dòng điện Với các Ia, Ib, Ic cho bởi phương trình (2.22) trên, ta có:

)24.2(3

)(

3)(

0

2 2

1 0

−

=

++

=

=

U hY Y

Y h I

U Y Y Y I I

ca L bc L ab L

ca L bc L ab L

Dòng thứ 3 của phương trình (2.24) cho thấy với một phụ tải cân bằng thì không có dòng thứ tự nghịch, vì với Yab

)(

3)(

0

2 )

( 2

) ( 1

) ( 0

−

=

++

=

=

U hB B

B h j I

U B B B j I

I

ca c bc

c ab c c

ca c bc c ab c c

c

Phụ tải được bù sẽ cân bằng nếu dòng điện thứ tự nghịch của nó bằng 0, điều này đòi hỏi:

)26.2(0

) ( 2 ) (

2L +I c =

I

Trong đó ký hiệu L (load) thêm vào để nhấn mạnh I2(L) là dòng điện phụ tải Phương trình này áp dụng cho các thành phần thực và ảo của I2(L) và I2(C) Hệ số công suất tổng thể của phụ tải được bù sẽ đồng nhất nếu phần ảo của dòng điện đường dây bằng 0, điều này đòi hỏi:

)27.2(0

]Im[I1(L) +I1(c) =

Cần lưu ý sự chính xác cao độ của phương trình (2.26) và (2.27) Nếu các dòng điện thiết bị bù I1(C) và I2(C) được thay từ phương trình (2.25) vào phương trình (2.26) và (2.27), và các phương trình này được giải theo Bab

c , Bbc

c , Bca

c thì kết quả cho điện dẫn của thiết bị bù:

)33/(

)Re3Im

(Im

)28.2()

33/(

)Im2(Im

)33/(

)Re3Im

(Im

) ( 2 )

( 2 )

( 1

) ( 2 )

( 1

) ( 2 )

( 2 )

( 1

U I

I I

B

U I

I B

U I

I I

B

L L

L ca

c

L L

bc c

L L

L ab

c

++

−

=

Vế bên phải giờ đây được biến đổi trở lại thành các thành phần pha nhờ sự chuyển ngược của các thành phần đối xứng (2.23) Nếu không có dòng thứ tự không thì:

)29.2()

3/(

)Im

Im(Im

)3/(

)ImIm

(Im

)3/(

)Im

Im(Im

) ( )

( )

( 2

) ( )

( 2 )

(

) ( 2 )

( )

−

=

−+

−

=

−+

−

=

U hI

I I

h B

U I

I h hI

B

U I

h I

h I

B

L b L

a L

c ca

c

L a L

c L

b bc

c

L c L

b L

a ab

c

Phương trình trên thể hiện các điện dẫn cần bù theo các dòng điện trong các pha Ia(L), Ib(L), Ic(L) của phụ tải Hoặc biến đổi về cho mỗi pha theo công suất ta được:

)30.2(

)(

)(

)(

)(

)(

)(

3113

13

135

1313

53

131

1133

13

531

61

2 2 2 2 2 2

ca L

bc L

bc L

ab L

ab L

ca L

ca L

bc L

bc L

ab L

ab L

ca c

bc c

ab c

U Q U Q U Q U P U P U P

B B B

với:

a L

a

ab L

ab

b L

b

bc L

bc

c L

c

ca L

ca

a L

a

ab L

ab

b L

b

bc L

bc

c L

c

ca L

ca

II.2 THIẾT BỊ BÙ NHUYỄN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG (SVC)

II.2.1 Khái niệm:

Hình 2.5 là mô hình của SVC (static var compensator): thực chất là máy phát công suất bù với công suất ngõ ra thay đổi nhằm mục đích duy trì hoặc điều khiển thông số cho trước của lưới điện

Mục đích của thiết bị bù lọc gồm hai chức năng chính: lọc các sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải Các sóng hài bậc cao xuất hiện thường do tải phi tuyến sinh ra Trong trường hợp tải thay đổi công suất phản kháng nhiều, hệ thống cần phần tử điều chỉnh công suất phản kháng Ngược lại trong trường hợp công suất phản kháng hầu như không thay đổi, phần tử điều chỉnh công suất phản kháng có thể bỏ qua

Cấu tạo của SVC gồm các phần tử sau:

- Các mạch lọc cộng hưởng LC (Harmonic Filter - HF) tương ứng với các sóng hài bậc cao của dòng điện như bậc 5, 7, 11, 13; ở tần số cơ bản, hệ thống mạch lọc cộng hưởng có tác dụng như tụ bù công suất phản kháng

Bộ điều khiển

Ic

Tín hiệu

Đo lường

Giá trị đặt

Giá trị sai lệch

- Phần tử bù công suất phản kháng điều chỉnh dạng nhảy cấp TSC (thyristor switched capacitor)

- Phần tử bù cố định FC (fixed capacitor)

- Mạch lọc sóng hài: các phụ tải phi tuyến và phần tử điều chỉnh công suất phản kháng (TCR) là nguồn tạo ra các sóng hài bậc cao Trong hệ thống điện 3 pha các thành phần hài bậc cao xuất hiện có ảnh hưởng nhiều chủ yếu là bậc 5, 7, 11 và 13 (TCR sinh ra sóng hài tệ nhất khi góc kích bằng 1200 theo [5]), các thành phần bội 3 (triple harmonic) thường được hạn chế hoặc loại bỏ nhờ cấu trúc đấu dây của máy biến áp hoặc giải thuật điều khiển cung cấp cho các bộ biến đổi công suất

Các mạch lọc cộng hưởng được điều chỉnh đến các giá trị gần tần số của các thành phần sóng hài bậc cao cần được khử bỏ và lúc đó mạch lọc cộng hưởng có tác dụng như trở kháng ngắn mạch cho các sóng hài bậc cao này nên hạn chế ảnh hưởng của nó lên nguồn điện áp và lưới điện Các mạch lọc LC đối với thành phần bậc 1 lại tác dụng như một tải dung kháng và do đó phát ra dòng điện bù cho lưới Độ lớn dòng điện bù này không thể điểu khiển nhuyễn một cách dễ dàng được và xác định từ tổng công suất bù của các tụ Vì thế, để điều chỉnh hệ số công suất, cần phải điều chỉnh dòng bù mang tính cảm kháng qua cuộn dây trong mạch TCR Công suất cuộn kháng càng lớn, khả năng bù càng rộng

II.2.2 Vấn đề chuyển mạch tụ bù bằng thyristor (TSC)

Mô hình mạch đóng tụ thể hiện ở hình 2.6

Việc đóng tụ bằng thyristor có ưu điểm là việc đóng ngắt tụ diễn ra tức thời Thyristor hiện nay đã đạt được khả năng chịu áp và dòng lớn Hiện tượng hồ quang và nhiễu lưới điện đã được khống chế Cuộn kháng L nối tiếp với tụ để hạn chế dòng nạp cho tụ Thời điểm phát xung kích được chọn khi áp trên thyristor nhỏ nhất Trong trường hợp tụ được xã hoàn toàn, thời điểm kích thích hợp khi điện áp lưới nguồn qua điểm 0

Đối với trường hợp tụ 3 pha thì điều kiện điện áp và dòng điện trong quá độ có thể trở nên thuận lợi hơn nếu tụ nối tam giác Lúc đó điều kiện điện áp cực tiểu trên thyristor luôn tồn tại, không phụ thuộc vào thứ tự khóa xung kích khi ngắt tụ Ngoài ra, do tác dụng của cuộn kháng nguồn và cuộn kháng nối tiếp tụ làm cho điện áp tụ khi bị ngắt có thể vượt quá điện áp nguồn Nói chung, nếu đóng cắt tụ không phù hợp sẽ dẫn đến các hiện tượng: xung dòng điện lớn trong các chu kỳ đầu sau khi đóng tụ làm sụt áp lưới, quá độ dao động cộng hưởng của dòng điện xuất hiện trong mạch tụ và lưới Nếu các cấp tụ bằng nhau thì nên đóng các cấp tụ theo thứ tự vòng để độ bền tụ là như nhau

Xung kích

Ls

Rs

+ U

II.2.3 Điều chỉnh cuộn kháng bù TCR:

Hình 2.7 là mô hình điều chỉnh cuộn kháng bù TCR

Khi góc kích α < ϕ = artg(ωL/R) thì mạch hoạt động như một công tắc ở trạng thái đóng Phương trình mạch:

)31.2(

dt

di L Ri

Bộ biến đổi không điều chỉnh được trong phạm vi α < ϕ

Khi α > ϕ thì dòng điện qua R-L bị gián đoạn và dòng điện có dạng:

)32.2()

sin(

)sin(

t m

e t

Z

U i

Dòng iZ triệt tiêu tại β, ωt2 =β: góc tắt thỏa phương trình (2.34)

) 34 2 ( 0

) sin(

)

− ϕ α βϕαϕ

e

Điện áp hiệu dụng trên tải khi ϕ < α < π là Uz thỏa (2.35) và có dạng như hình 2.8

UZ là một hàm giảm theo góc điều khiển α:

(2.35)

2

2sin2

sin

π

α

βπ

Theo nguyên lý này, ta thiết kế mạch bù nhuyễn dùng SVC

Bản thân dòng điện đi qua TCR là không sin, sóng hài của nó là các hàm lẻ có biên độ thay đổi theo α

Xung kích

+ Um

Hình 2.7 Mô hình cuộn kháng bù TCR

.cos.)cos(

.sin4

α

απ

n n

n L

U

I n

Biên độ sóng hài phụ thuộc vào góc kích thể hiện ở hình 2.9 Đối với mạch 3 pha, các hài bậc lẻ khác bội 3 sẽ phát vào lưới nên phải được lọc bằng các bộ lọc cộng

hưởng LC Bậc 5, 7, 11, 13 là các hài có biên độ tương đối lớn

II.2.4 SVC dùng kết hợp TCR và TSC:

Như ta đã biết, để đạt được mục đích tăng công suất truyền tải, cải thiện điện áp và tính ổn định khi có sự cố, dập tắt các dao động công suất, thì các thiết bị bù công suất phản kháng song song cần có các yêu cầu:

α

I

90 110 130 150 170

K=1 K=3K=5

Hình 2 9 Biên độ các thành phần sóng hài theo góc kích

Hình 2 8 Đặc tính điện áp theo góc kích của TCR.

- Thiết bị bù phải hoạt động đồng bộ với hệ thống lưới xoay chiều tại điểm bù trong mọi điều kiện hoạt động kể cả sự cố chính Trong trường hợp điện áp đường dây bị mất do sự cố thì thiết bị bù phải có khả năng khôi phục tính đồng bộ của nó ngay sau khi sự cố bị khử

- Thiết bị bù phải có khả năng điều chỉnh điện áp đường dây trong giới hạn cho phép và đảm bảo tính ổn định điện áp quá độ hoặc điều khiển dập tắt các dao động công suất

- Đối với đường dây mắc giữa 2 hệ thống, thì vị trí đặt bù tốt nhất là ở giữa đường dây, còn nếu phân phối cho tải thì ở cuối đường dây tại điểm cấp cho tải là thích hợp nhất

Đối với TCR 1 pha thì dòng điện bậc 1 qua cuộn kháng theo góc kích α là:

(2.39)

)2sin2

1()

(

π

πω

)2sin2

1(

1)

ππ

1.)

2

t C

n

n U t

ωBiên độ điện áp trên tụ C là UC:

Như vậy, nguyên lý làm việc của SVC là sự kết hợp giữa điều khiển TSC và TCR sao cho dòng điện bù bằng dòng điện bù yêu cầu Đặc tính U – I của SVC như hình 2.13.Với nguyên lý điều khiển bù bán dẫn, thiết bị hoạt động như một bộ điều chỉnh điện áp hoàn chỉnh Điện áp đo được sẽ so sánh với giá trị đặt, sai biệt sẽ được hiệu chỉnh cho đến khi đạt được giá trị đặt bằng bộ điều chỉnh PI

Trong nhiều trường hợp, thiết bị bù không được sử dụng để hiệu chỉnh điện áp đến mức chính xác mà cho phép điện áp thay đổi phụ thuộc vào dòng điện bù Việc điều chỉnh hoàn hảo điện áp (độ nghiêng bằng 0) có thể dẫn đến một số điểm làm việc không tốt, có chiều hướng gây dao động trong hệ thống nếu trở kháng hệ thống nhỏ trong phạm vi hoạt động của tần số liên quan Khi sử dụng đặc tính điều khiển bù nghiêng, sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phối hợp bù của các thiết bị bù và các thiết bị điều khiển điện áp khác trên hệ thống truyền tải Tín hiệu điện áp điều khiển hiệu dụng: Uref*=Uref+KIQ

với IQ > 0 khi dòng bù mang tính cảm và ngược lại

K là độ nghiêng của đặc tính điều chỉnh:

( )2.44

max max max

max

L L

C

C

I

U I

Với ΔUCmax là sai lệch điện áp giữa điện áp hệ thống và điện áp khi được bù bằng dòng điện tính dung cực đại và tương tự cho ΔULmax

Từ đây cho thấy khi dòng điện bù tăng theo tính dung thì điện áp hệ thống Uref* sẽ điều chỉnh giảm dưới mức chuẩn của trường hợp không bù Ngược lại, khi dòng điện bù tăng lên theo tính cảm thì Uref điều chỉnh tăng trên áp chuẩn, và cuối cùng làm cho điện áp hệ thống được thiết lập tuyến tính trong phạm vi dòng điện bù Nếu điện áp hệ thống vượt ra ngoài phạm vi đó thì đặc tính bù sẽ phụ thuộc vào đặc tính U-I của thiết bụ bù, tức là nó sẽ xác lập ở giá trị phụ thuộc độ lớn tụ (TSC) hoặc cuộn kháng (TCR) lắp đặt

Ở hình 2.14, 3 đặc tính hệ thống (1), (2), (3) được vẽ chung với đặc tính điều khiển điện áp nghiêng của thiết bị bù Ở đặc tính (1), điện áp đường dây cắt với trục tung tại điểm thiết lập Uref của điện áp hệ thống và dòng điện bù bằng 0 Đặc tính (2) cho thấy áp hệ thống suy giảm, giao điểm của đặc tính hệ thống với đặc tính điều chỉnh dòng điện bù, xác định dòng điện bù cần thiết tính dung IC2 để đưa điện áp hệ thống về vị trí trên vùng điều chỉnh Đặc tính (3) cho biết điện áp hệ thống cao hơn mức Uref, giao điểm của (3) với đặc tính điều chỉnh dòng điện bù cho biết dòng điện bù cảm IL3 cần thiết để đưa hệ thống về vùng điều chỉnh Giao điểm của (2) và (3) với trục tung cho biết phạm vi sai lệch có thể có của điện áp khi không bù Giao điểm của (2) và (3) với đặc tính điều khiển bù Uref cho biết phạm vi thay đổi điện áp hệ thống khi có thiết bị bù với đặc tính thiết lập bù nghiêng

Dãy bù

Hình 2 14 Đặc tính điều chỉnh điện áp của SVC

Khả năng bù cực đại của SVC thể hiện ở dung kháng cực đại của nó, lúc đó công suất truyền tải của hệ thống là:

( )2.45sin

4

2

δ

C B X X U

−Khi π/2 < δ <π thì công suất truyền tải giảm nhanh được thể hiện ở hình 2.15

II.3 VẤN ĐỀ SÓNG HÀI:

II.3.1 Chuổi Fourier:

Sự méo dạng dòng điện và điện áp do tải phi tuyến sinh gây ra là một trong những mối quan ngại chính đối với chất lượng điện năng Trong những năm gần đây, ngành điện các nước đã có nhiều nỗ lực để kiểm soát độ méo dạng Các tiêu chuẩn để khống chế sóng hài đã được thiết lập, dụng cụ đo lường, mô hình mô phỏng cũng như qui trình phân tích có hệ thống cũng đã phát triển

Cơ sở mô hình hóa và mô phỏng họa tần là nghiên cứu sự méo dạng có chu kỳ và xác lập Chuổi Fourier của một hàm tuần hoàn có chu kỳ T, tần số f và tần số góc ω là:

(2.46)

)}

sin(

)cos(

{2

1)

sin(

)(

t

=

Trong đó, n là bậc họa tần;

C0 là giá trị một chiều của hàm, Cn là giá trị đỉnh của thành phần hài bậc n,

φn là góc pha của họa tần bậc n Biểu đồ biên độ họa tần Cn / C1 gọi là phổ biên độ họa tần Tổng hợp các thành phần họa tần sẽ tạo ra dạng sóng gốc

Vì là các đại lượng sin nên có thể viết dưới dạng phức:

)48.2()

(

1

;)

(

2 /

2 /

0 0

dt e

t f T c e

c t

f

T

T

t jn n

n

t jn

Hình 2.16 là phổ biên độ của một sóng có họa tần điển hình

Hình 2.17 là tổng hợp của một dạng sóng có họa tần

) (

;

; 2

2 2 0

0

n

n n

n n n

b

a arctg b

a c

a

0 20 40 60 80 100

1 5 7 11 13 17 19 23 25 29 31

Bậc họa tần

Hình 2.16 Phổ biên độ của một sóng có họa tần

Hình 2.17 Tổng hợp của một dạng sóng có họa tần

II.3.2 Nguồn gốc của sóng hài:

Tải và thiết bị điện có đặc tính U-I phi tuyến đều sinh ra sóng hài Các thiết

bị liên quan đến chuyển mạch điện tử không nhất thiết đồng bộ với áp nguồn xoay chiều Các thiết bị tải như tải hồ quang, thiết bị có lõi thép bão hòa…

Chỉ số méo dạng THD thường được dùng để đo mức độ chất lượng của một sóng

bị méo dạng:

)49.2(

1 2 2

II.3.3 Các đại lượng điện trong điều kiện không sin:

Khi có các họa tần ở trạng thái xác lập, dòng điện và điện áp họa tần biểu diễn theo chuổi Fourier như sau:

)51.2()

sin(

2)

()

(

)50.2()

sin(

2)

()

(

1

0 1

1

0 1

n n

n

n n

n n

t n I

t i t

i

t n V

t v t

v

δω

θω

Trong đó, thành phần một chiều được bỏ qua để đơn giản hóa

Công suất tác dụng tức thời và trung bình:

)52.2()

(1

),()

()(

t i t v t p

n n

n

V

Công suất trung bình của các sóng hài bậc cao nhỏ hơn công suất trung bình phát

ra của sóng hài cơ bản Theo quan hệ trực giao thì các giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp:

(1

)54.2()

(1

1 2 0

2

1 2 0

rms

n n T

rms

I dt

t i T I

V dt

t v T V

Tương ứng là công suất biểu kiến: S =V rms I rms (2.56)Hay định nghĩa được chấp nhận rộng rãi là: S2 = P2 +Q2 +D2 (2.57)

Với D là công suất méo dạng(VA) tương ứng với tích của dòng điện và điện áp ở các tần số khác nhau (định nghĩa này cũng chưa được tất cả mọi người công nhận) Còn Q là công suất phản kháng:

)58.2()

n I V

Các chỉ số khi không sin:

2

L n n

I

I TDD

- Hệ số nhiễu điện thoại:

)60.2(

;

)(

1

2

rms n

n n

V

V

V w TIF

∑∞

=

=

)61.2(

;

)(1

2

rms n

n n

I

I

I w TIF

∑∞

=

=

Với Wn là hệ số trọng lượng phản ánh đáp ứng theo dãi âm tần

- Hệ số công suất toàn phần:

)62.2()

100(1)100(

1 1

I V

tot

THD THD

I V

P PF

++

=

Khi độ méo dạng THDV < 10% thì:

)63.2()

cos(

)100(1

1 1 2

1 1

1

dist I

THD I

Đối với tải phi tuyến một pha thì hệ số công suất rất thấp

II.3.4 Các bộ lọc họa tần:

Lọc cản loại C CTDF (C-type damped filter)

Lọc cản bậc 2 SODF (second order damped filter)

Lọc cộng hưởng đơn STF (single tuned

bậc 3 TODF (third order damped filter)

R

R

RL

Hình 2 18 Các bộ lọc họa tần thụ động

Như chúng ta đã biết tác hại của sóng hài (tổn thất, sai số trong đo lường, nhiễu, thiết bị vận hành sai hoặc hư hỏng… theo [1], [2], [3]) và do đó cần phải khử bỏ bằng các bộ lọc sóng hài Hiện nay ở các nước có qui định để các hộ tiêu thụ cần giảm dòng họa tần của họ để thỏa mãn một số tiêu chuẩn của điện lực và ngăn chặn hệ thống và thiết bị bị thiệt hại do họa tần Có nhiều phương pháp khác nhau để áp dụng khử dòng họa tần trong hộ tiêu thụ, nhưng chủ yếu dùng 2 loại bộ lọc (bộ lọc họa tần thụ động thể hiện ở hình 2.18 và bộ lọc họa tần tích cực được minh họa ở hình 2.22) trong đó, các bộ lọc họa tần thụ động song song thường được sử dụng nhất (được minh họa ở hình 2.19) do có chi phí thấp và có thể bù công suất phản kháng cho hệ thống Việc lựa chọn tối ưu bộ lọc bao gồm việc việc lựa chọn tối ưu loại, số lượng, dung lượng và các tham số quan trọng thỏa mãn yêu cầu cần lọc họa tần và bù công suất phản kháng Do đa số tải phi tuyến đặt ở hạ áp nên các bộ lọc đặt ở hạ áp thì tốt hơn do trở kháng nguồn cao và ổn định Nhưng khi bộ lọc có dung lượng lớn (hơn 1MVA:công suất méo dạng) đặt ở hạ áp thì không gian và chi phí lớn do đó đặt ở cao áp là thích hợp, nhưng hệ thống cao áp có trở kháng nguồn nhỏ và không ổn định nên việc lựa chọn phức tạp hơn

Do đó, việc lựa chọn tối ưu bộ lọc có tính thực tiễn rất cao[4], thường bộ lọc đơn khó đáp ứng được nhu cầu lọc họa tần ở cao áp với các trạng thái họa tần phức tạp, nhiều phương pháp lựa chọn tối ưu được đề nghị [22]-[24] Các kết quả nghiên cứu này đã góp phần cải thiện đáng kể hệ số công suất và họa tần dựa trên hàm mục tiêu chi phí và hàm ràng buộc, các hàm này được xây dựng trên quan điểm thực tế của đặc tính bộ lọc với giải thuật tìm kiếm Simulation Annealing Các bộ lọc họa tần thụ động bao gồm: STF, SODF, TODF, CTDF

STF chỉ gồm LC nên chi phí đầu tư và tổn thất thấp hơn các bộ lọc cản có cùng dung lượng và dễ thiết kế Tuy nhiên, việc thực hiện lọc họa tần của nó nhằm họa tần hơi cao hơn tần số cộng hưởng của bộ lọc Ở cao tần, STF không có hiệu quả trong việc lọc họa tần vì trở kháng của bộ lọc tăng đơn điệu theo tần số Sóng hài tần số thấp sẽ bị khuếch đại biên độ bởi trở kháng của bộ lọc trở nên mang tính dung Vậy, STF chỉ phù hợp và tình huống có họa tần cố định(không có nhiều họa tần lớn phân bố trên dãy rộng) Trái lại trở kháng của các bộ lọc cản tiến tới giá trị điện trở ở tần số cao nên chúng có khả năng lọc họa tần bậc cao tốt hơn Nếu bộ lọc cản có thông số thích hợp thì có khả năng loại bỏ họa tần tần số thấp Ta thấy trên quan điểm lọc họa tần thì các bộ lọc cản tốt hơn, chúng thích hợp lọc họa tần phức tạp (nhiều họa tần lớn, phân bố trên dãy tần số rộng) Trên thực tế thường kết hợp lọc chỉnh đơn để lọc họa tần bậc thấp, lọc cản để lọc họa tần bậc cao nhằm giảm chi phí đầu tư và giảm tổn hao công suất

Ảnh hưởng của các tụ bù đối với trở kháng hệ thống được minh họa ở hình 2.20 và ảnh hưởng của bộ lọc họa tần bậc 4.7 đối với trở kháng hệ thống thể hiện ở hình 2.21

Hình 2.19 Sơ đồ minh họa sử dụng các bộ lọc họa tần thụ động

144 kV

25 kV Bus

other loads

2 km 266 MCM

4.16 kV

10 MVA 7.87%

7.5 MVA 5.75%

10 km 1/0

other loads

480 Volt bus 4.16 kV

6000 hp

ASD

harmonic filters 5,7,11

Motor Load (650 hp)

PF Correction Capacitors (160 kvar)

800 hp

0.5 uF surge capacitors

Short Circuit Level =

74 MVA

1500 kVA

Hì h 2 19 S đ à i h h h ä th á d ø b ä l

Hình 2.20 Minh họa ảnh hưởng của tụ bù đối với hệ thống

Hình 2.21 Minh họa đặc tính trở kháng của hệ thống khi có bộ lọc bậc 4.7

Bậc họa tần

Controls and Gating Signal Generators

IGBT PWM Inverter

I s I

Hình 2.22 Sơ đồ minh họa sử dụng bộ lọc họa tần tích cực

II.3.5 Giới hạn sóng hài 519-1992 của IEEE:

II.3.5.1 Những Vấn Đề Cơ Bản

Họa tần được tạo ra bởi các tải và thiết bị phi tuyến trên hệ thống điện Có sự thay đổi lớn của các thiết bị phát sinh họa tần và chúng được kết nối đến hệ thống điện ở mọi cấp điện áp Theo quy trình 519-1992 của IEEE thiết kế để giới hạn dòng họa tần từ các hộ tiêu thụ và thiết bị riêng biệt để các cấp điện áp họa tần trên toàn hệ thống sẽ được chấp nhận Cả khách hàng và điện lực đều có trách nhiệm áp dụng tiêu chuẩn này

* Khách hàng: đối với mỗi khách hàng, tiêu chuẩn đã được thay đổi sẽ giới hạn

tiêu chuẩn dòng họa tần bơm vào các nút nối chung giữa khách hàng và điện lực Các giới hạn đề nghị được đưa ra cho từng họa tần riêng lẽ và cho TDD Các giới hạn này diễn tả bằng phần trăm mức độ dòng họa tần của khách hàng

* Điện lực: Hệ thống điện lực là hệ thống truyền tải và phân phối phục vụ nhiều

khách hàng Điện lực chịu trách mhiệm cho sự méo dạng điện áp ở PCC Hầu hết các hệ thống dưới 69 KV, THD sẽ ít hơn 5% Điều này có nghĩa là điện lực phải bảo đảm các điều kiện cộng hưởng hệ thống không ảnh hưởng đến mức độ méo dạng điện áp không cho phép, thậm chí nếu như tất cả các khách hàng có thiết bịï

phát sinh dòng họa tần trong khuôn khổ cho phép

II.3.5.2 Các lưu ý khi áp dụng IEEE 519 :

Nhiều vấn đề được đặt ra khi áp dụng đề nghị của IEEE 519-1992 Các vấn đề chính trong bao gồm:

• Lựa chọn PCC

• Các phương pháp, các tình huống, các giới hạn đo lường

• Các phương pháp mô phỏng và tính toán

• Các giả định để nghiên cứu họa tần ( các bậc họa tần cơ bản, các đặc tính trở kháng hệ thống)

• Những tác động xấu có thể gặp phải khi có méo dạng họa tần

• Tính toán dòng điện yêu cầu của khách hàng (thay đổi đặc tính tải, tác dụng của bảo toàn năng lượng, các ảnh hưởng của việc điều chỉnh hệ số công suất)

• Đánh giá điều chỉnh hệ số công suất (đánh giá các giới hạn, những mối liên quan đến cộng hưởng, xem xét thiết bị đo lường, điều khiển phân bố dòng họa tần …)

• Ảnh hưởng của sự phát sinh họa tần không cân bằng

• Đánh giá các đặc tính thay đổi theo thời gian của họa tần ( giai đoạn thiết kế, các thiết bị đo lường)

• Đánh giá các thành phần họa tần bậc không nguyên ( cycloconverters, lò hồ quang)

• Dùng các hệ thống nhiều xung

• Áp dụng giới hạn cho các khách hàng nhỏ và trong nhiều trường hợp đối với nhiều hộ tiêu thụ phát sinh họa tần (như là các khu dân cư )

• So sánh kinh tế kỹ thuật

II.3.5.3 Các Giới Hạn Họa Tần

Các khái niệm nổi bật nhất được minh họa liên quan đến việc đánh giá giới hạn dòng họa tần ở mỗi khách hàng riêng lẻ và giới hạn điện áp họa tần trên toàn hệ thống Giới hạn này được đánh giá tiêu biểu tại PCC giữa người cung cấp và khách hàng

* Các giới hạn méo dạng điện áp

Điện lực có trách nhiệm duy trì chất lượng điện áp trên toàn hệ thống

Giới hạn méo dạng điện áp họa tần tính theo % của điện áp tần số cơ bản được cho

Vn = độ lớn thành phần họa tần bậc n (hiệu dụng)

n = bậâc họa tần

VS = điện áp định mức (hiệu dụng)

Lưu ý rằng định nghĩa này hơi khác hơn định nghĩa thông thường đối với THD là mô tả độ méo dạng như là một hàm của biên độ điện áp ở tần số cơ bản tại điểm

đo lường Định nghĩa sử dụng ở đây cho phép đánh giá độ méo dạng điện áp theo giới hạn cố định hơn là các giới hạn thay đổi theo điện áp hệ thống Tương tự cho giới hạn dòng điện

* Các giới hạn méo dạng dòng điện:

Các dòng họa tần từ các hộ riêng lẽ được đánh giá tại PCC là nơi mà điện lực cung cấp cho các khách hàng khác Các giới hạn này tùy thuộc vào tải của khách hàng tính theo công suất ngắn mạch tại PCC Lưu ý rằng tất cả giới hạn dòng họa tần đánh giá tại PCC, được tính theo % dòng điện tải yêu cầu cực đại trung bình của khách hàng

Các giới hạn méo dạng dòng điện họa tần (In) theo % của IL được cho ở bảng 2.2

Bảng 2.2

VS ≤ 69kV

I cs /I L n<11 11≤n <17 17≤n<23 23≤ n<35 35≤ n TDD

<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20-50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50-100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0

>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

69k<VS ≤161kV

<20* 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5 20-50 3.5 1.75 1.25 0.5 0.25 4.0 50-100 5.0 2.25 2.0 1.25 0.35 6.0

* : Tất cả các ứng dụng các thiết bị của máy phát được giới hạn theo các giá trị méo dạng dòng điện này bất chấp tỉ số ngắn mạch

Các lưu ý cho méo dạng dòng:

• IL là dòng tải cực đại yêu cầu tại PCC ( thành phần tần số cơ bản) Nó có thể tính theo trung bình dòng nhu cầu tối đa hàng tháng trong 12 tháng trước đó hoặc nó có thể ước đoán Các thông tin cần thiết này thường không có sẵn ( ví dụ một hộ tiêu thụ mới) Trong những trường hợp này, cần phải ước đoán dòng tải tối đa phải dựa vào đồ thị dự báo phụ tải

• Bảng các giới hạn thành phần họa tần riêng lẽ áp dụng cho thành phần họa tần bậc lẻõ Các thành phần họa tần bậc chẵn giới hạn đến 25% giới hạn trong bảng Thường không cần áp dụng giới hạn 25% này đối vối họa tần bậc chẵn trừ khi áp dụng các bộ lọc họa tần gây

ra cộng hưởng làm tăng biên độ một trong các họa tần bậc chẵn và

gây ra méo dạng điện áp đến mức không chấp nhận được

• Không cho phép sự méo dạng dòng điện do bù dòng điện một chiều gây ra

I

I TDD

In = biên độ của các thành phần họa tần riêng lẽ (hiệu dụng)

n:bậc họa tần

IL = dòng tải yêu cầu cực đại (biên độ hiệu dụng) định nghĩa ở trên

• Nếu các tải sinh họa tần bao gồm các bộ chuyển đổi công suất với số xung là q lớn hơn 6 , thì trị số giới hạn trong bảng 2.2 được tăng theo hệ số:

) 67 2 ( 6

q

miễn là biên độ của các họa tần không đặc trưng nhỏ hơn 25% của giới hạn xác

định trong bảng 2.2

II.3.5.4 Qui Trình Chung Khi Áp Dụng Giới Hạn Họa Tần

Qui trình chung để áp dụng giới hạn họa tần bao gồm đặc trưng hóa nguồn họa tần, đánh giá sự tác động trên hệ thống, thực hiện các phương pháp khống chế họa tần, nếu cần Điều này phải có sự nổ lực từ nhiều phía có liên quan trong vấn đề họa tần Hầu hết liên quan đến điện lực và khách hàng Thông qua khách hàng, nhà sản xuất thiết bị sinh họa tần cũng được kể đến trong việc đánh giá

* Qui trình đánh giá chung:

Thật sự không thể thực hiện sự đánh giá mỗi khách hàng liên quan đến phát sinh họa tần Sự đánh giá này có thể là giới hạn đối với các cơ sở đã hoặc sẽ lắp đặt thiết bị có đặc tính phi tuyến (như: các bộ biến tần, các bộ chuyển đổi công suất, các lò cảm ứng, các lò hồ quang,…) Nó giúp cho việc xây dựng các luật trong giai đoạn đánh giá ban đầu, nó cho phép chấp nhận hầu hết mọi khách hàng mà không cần đến đo lường hay tính toán chi tiết Qui trình chung cho hai giai đoạn để đánh giá việc bơm dòng họa tần của khách hàng được minh họa như hình 2.23:

Tính toán, đo kiểm Nếâu cần

ĐIỆN LỰC

HỘ TIÊU THỤ

Có/dự định bù CSPK

GĐ1 Có cần đánh giá chi tiết

không

có

Hình 2.23 Qui trình đánh giá chung