So sánh chi phí khi lựa chọn vị trí đặt thiết bị lọc hài thụ động kiểu cộng hưởng đơn và kiểu c

Có thể sử dụng các bộ lọc thụ động để loại bỏ các thành phần sóng hài có biên độ lớn trong lưới điện nhằm giảm ảnh hưởng của sóng hài tới các trang thiết bị trên lưới.. Trong hệ thống đi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

So sánh chi phí khi lựa chọn vị trí đặt thiết bị lọc hài thụ động

kiểu cộng hưởng đơn và kiểu c

VŨ MẠNH HÙNG Hungwlly93@gmail.com

Ngành: K ỹ thuật điện

Gi ảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Tùng

Vi ện: Điện

Ch ữ ký của GVHD

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 9

1.1 Khái niệm về sóng hài 9

1.2 Nguyên nhân sinh ra sóng hài trong hệ thống điện 11

Chương 2: CÁC BIỆN PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG LƯỚI ĐIỆN 20

2.1.Tiêu chuẩn và quy định về mức sóng hài trong hệ thống điện 20

2.2.Các phương pháp giảm thiểu sóng hài trên lưới phân phối 21

Chương 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÀ ĐƯA RA QUY TRÌNH THIẾT KẾ CHO BỘ LỌC CỘNG HƯỞNG ĐƠN VÀ BỘ LỌC KIỂU C 29

3.1 Giới thiệu chung 29

3.2 Bộ lọc thụ động loại cộng hưởng đơn 29

3.3 Bộ lọc hài thụ động kiểu C 39

Chương 4: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CHO HAI BỘ LỌC CỘNG HƯỞNG ĐƠN VÀ BỘ LỌC KIỂU C 49

4.1 Giới thiệu phần mềm ETAP và các kịch bản mô phỏng 49

4.2 Tính toán các thông số của bộ lọc: 52

4.3.Kiểm chứng hiệu quả của hai loại bộ lọc 56

4.4 Đặc điểm sử dụng của bộ lọc thụ động loại cộng hưởng đơn (STF) 74

4.5 Đặc điểm sử dụng của bộ lọc thụ động kiều C (CTF) 75

Chương 5: KẾT LUẬN 77

5.1 Kết luận chung 77

5.2 Hướng phát triển của đề tài 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Dạng sóng và bậc sóng hài 9

Hình 1.2 Ví dụ về phổ tần sóng hài 10

Hình 1.3 Ví dụ về sóng hài bậc lẻ(a) và chẵn(b) 11

Hình 1.4Quan hệ dòng và áp trên tải tuyến tính 11

Hình 1.5 Điện áp phi tuyến gây ra bởi dòng phi tuyến 12

Hình 1.6 Quan hệ dòng điện và điện áp trên tải phi tuyến 12

Hình 1.7 Sóng hài và các méo dạng gây ra do các thành phần hài bậc 2, 3, 4 13

Hình 1.8 Méo dạng do bão hòa từ 13

Hình 1.9 Dạng dòng điện của một động cơ có THD=10.5% 14

Hình 1.10 Đóng ngắt trong thiết bị điện tử công suất 15

Hình 1.11 Ví dụ về phổ hài trên một thiết bị điện tử công suất 15

Hình 1.12 Dạng sóng và phổ hài trong hệ IGBT 15

Hình 1.13 Chỉnh lưu điều khiển ba pha – phần mạch lực 16

Hình 1.14 Tổng trở của mạch LC tại tần số cộng hưởng 19

Hình 2.1 Dùng cuộn kháng lọc nối tiếp 21

Hình 2.2 Cuộn kháng lọc hài Mikro 22

Hình 2.3 Trước và sau lắp kháng 22

Hình 2.4 Máy biến áp cách li 23

Hình 2.5 Bộ lọc thông thấp 23

Hình 2.6 Bộ lọc thụ động kiểu chữ C 24

Hình 2.7 Một hệ thống lọc hài thụ động trên lưới phân phối 110kV (Ba Lan) 24

Hình 2.8 Chỉnh lưu điều khiển 12 xung 25

Hình 2.9 Chỉnh lưu điều khiển 18 xung 25

Hình 2.10 Minh họa đơn giản về tác dụng khử hài bậc 5 và 7 trong hệ 12 xung 26

Hình 2.11 Máy biến áp dịch pha 35kV 26

Hình 2.12 Sơ đồ bộ lọc tích cực 27

Hình 2.13 Bộ lọc tích cực của hãng Schneider Electric 27

Hình 3.1 Các bộ lọc hài thụ động 29

Hình 3.2 Mạch lọc hài thụ động kiểu cộng hưởng đơn 29

Hình 3.3 Hiện tượng cộng hưởng song song trên lưới có bộ lọc STF 32

Hình 3.4 Minh họa về hệ số chất lượng của bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn 33

Hình 3.5 Qui trình thiết kế bộ lọc STF 35

Hình 3.6 Mạch tương đương dùng để tính toán hiệu quả lọc hài của STF 37

Hình 3.7 Sơ đồ bộ lọc kiểu C 39

Hình 3.8 Sự tương đương trong thiết kế STF và CTF 46

Hình 3.9 Qui trình thiết kế bộ lọc kiểu C 47

Hình 4.1 Các mô hình bộ lọc thụ động có trong Simulink và ETAP 49

Hình 4.2 Giao diện chính của ETAP 50

Hình 4.3 Sơ đồ phân phối điện của xưởng 51

Hình 4.4 Cấu hình bộ lọc kiểu C 53

Hình 4.5 Cấu hình bộ lọc kiểu C 54

Hình 4.6 Cấu hình bộ lọc kiểu C 55

Hình 4.7 Thông số của mô hình bộ chỉnh lưu 56

Hình 4.8 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi chưa có bộ lọc 57

Hình 4.9 Tổng độ méo sóng hài khi chưa có bộ lọc 57

Hình 4.10 Độ lớn thành phần hài bậc 5 khi chưa có bộ lọc 58

Hình 4.11 Mức độ méo điện áp trên Bus1,Bus 7 58

Hình 4.12 Thông số của CTF được mô phỏng ở Bus 7 59

Hình 4.13 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi có bộ lọc CTF 59

Hình 4.14 Tổng độ méo sóng hài khi có bộ lọc CTF 60

Hình 4.15 Phổ hài và dạng sóng trên Bus 7 khi có sử dụng CTF 60

Hình 4.16 Thông số của STF được mô phỏng 61

Hình 4.17 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi có bộ lọc STF 61

Hình 4.18 Tổng độ méo sóng hài khi có bộ lọc STF 62

Hình 4.19 Phổ hài và dạng sóng trên Bus 7 khi có sử dụng STF 62

Hình 4.20 Thông số của STF được mô phỏng ở Bus 1 63

Hình 4.21 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi có bộ lọc STF 63

Hình 4.22 Tổng độ méo sóng hài khi có bộ lọc STF 64

Hình 4.23 Phổ hài và dạng sóng trên Bus 1khi có sử dụng STF 64

Hình 4.24 Thông số của STF được mô phỏng ở Bus 1 65

Hình 4.25 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi có bộ lọc STF 65

Hình 4.26 Tổng độ méo sóng hài khi có bộ lọc STF 66

Hình 4.27 Phổ hài và dạng sóng trên Bus 1khi có sử dụng STF 66

Hình 4.28 Thông số của CTF được mô phỏng 67

Hình 4.29 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi có bộ lọc CTF 67

Hình 4.30 Tổng độ méo sóng hài khi có bộ lọc CTF 68

Hình 4.31 Phổ hài và dạng sóng trên Bus 1 khi có sử dụng CTF 68

Hình 4.32 Thông số của CTF được mô phỏng 69

Hình 4.33 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi có bộ lọc CTF 69

Hình 4.34 Tổng độ méo sóng hài khi có bộ lọc CTF 70

Hình 4.35 Phổ hài và dạng sóng trên Bus 1khi có sử dụng CTF 70

Hình 4.36 Đặc tính tần số của STF 74

Hình 4.37 Đặc tính tổng trở - tần số tiêu biểu của CTF 75

MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 về sóng hài dòng & áp 20

Bảng 1.2 Tổng độ méo áp cho phép 20

Bảng 3.1 Giá trị vận hành tối đa cho phép của tụ điện 33

Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả các thông số trên Bus1 và Bus 7 71

Bảng 4.2 Tổng hợp kết quả tính toán chi phí chế tạo của các loại bộ lọc 73

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 ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm

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

Hà Nội,ngày tháng năm

Học viên

Vũ Mạnh Hùng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của TS Nguyễn Xuân Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trường đại học Bách khoa Hà Nội - Người chịu trách nhiệm hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô đã tham gia giảng dạy trong khóa học, các thầy cô tại Viện Điện, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành khóa học này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và Phòng Đào tạo đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập tại trường

Lời cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn sự động viên của gia đình, bạn bè, những người đã tạo điều kiện rất nhiều cho tôi trong suốt chặng đường học tập đã qua

Hà Nội,ngày tháng năm

Học viên

Vũ Mạnh Hùng

TÓM TẮT NỘI DUNG

a Lý do chọn đề tài

Hiện nay vấn đề sóng hài đang thu hút được sự quan tâm của các công ty điện lực và của các khách hàng có những phụ tải phi tuyến lớn Có thể sử dụng các bộ lọc thụ động để loại bỏ các thành phần sóng hài có biên độ lớn trong lưới điện nhằm giảm ảnh hưởng của sóng hài tới các trang thiết bị trên lưới

Các bộ lọc thụ động có nhiều loại cấu hình khác nhau, do đó việc lựa chọn cấu hình hợp

lý sẽ giúp các đơn vị đảm bảo được cả các yêu cầu kỹ thuật đồng thời có thể tiết giảm được chi phí đầu tư

Vì sự cần thiết đó, nội dung nghiên cứu của luận văn tập trung vào phương thức tính toán lựa chọn thông số cho hai loại bộ lọc thụ động phổ biến là bộ lọc cộng hưởng đơn

và bộ lọc kiểu C Đồng thời tiến hành so sánh hiệu quả kinh tế khi sử lắp đặt hai loại bộ lọc này tại cấp điện áp hạ áp và trung áp, từ đó đưa ra khuyến cáo với người sử dụng khi lựa chọn bộ lọc

b Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nội dung luận văn nghiên cứu về các loại bộ lọc sóng hài thụ động và so sánh hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của hai loại bộ lọc phổ biến là bộ lọc cộng hưởng đơn và bộ lọc kiểu C

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc áp dụng bộ lọc cho lưới điện phân phối có các nguồn phát sinh sóng hài

c Tóm tắt các nội dung chính

Nội dung của luận văn được chia làm 5 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan về sóng hài trong hệ thống điện

- Chương 2: Các biện pháp loại trừ sóng hài trong lưới điện

- Chương 3: Phân tích tính toán thông số và đưa ra qui trình thiết kế cho bộ lọc cộng hưởng đơn và bộ lọc kiểu C

- Chương 4: Tính toán các thông số cho hai loại bộ lọc là bộ lọc cộng hưởng đơn

và bộ lọc kiểu C, phạm vi áp dụng cho một nhà máy công nghiệp với các cấp điện

áp 23kV/3,3kV/0,4kV Thực hiện mô phỏng kiểm chứng hiệu quả kỹ thuật của hai loại bộ lọc này khi đặt tại cấp điện áp 3,3kV và 23kV Sau đó tiến hành tính toán chi phí với hai dạng bộ lọc này để tìm ra giải pháp có chi phí nhỏ nhất và vẫn đảm bảo các yêu cầu về mức độ méo sóng hài

- Chương 5: kết luận của luận văn và hướng nghiên cứu trong tương lai

d Các đóng góp mới của tác giả

Tác giả đã nghiên cứu chuyên sâu về phương pháp tính toán thiết kế tối ưu của bộ lọc kiểu C và cộng hưởng đơn và đã áp dụng với một nhà máy công nghiệp cụ thể

e Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các tính toán lý thuyết để đưa ra các bước tính toán thiết kế Đồng thời sử dụng phần mềm mô phỏng (ETAP) để kiểm chứng hiệu quả của các thiết kế bộ lọc sóng hài này

f Kết luận

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và so sánh hiệu quả kinh tế-kỹ thuật của hai dạng

bộ lọc cộng hưởng đơn và bộ lọc kiểu C Phần mềm ETAP được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của các bộ lọc đã được thiết kế; các kết quả kiểm nghiệm phù hợp với phân tích

lý thuyết

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Khái niệm về sóng hài

Dạng sóng điện hình sin có tần số nhất định thường là 50 Hz (tần số cơ bản) do các nhà máy điện, trạm điện cung cấp cho mạng điện lưới.Tuy nhiên, khi di chuyển gần về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng Sóng méo dạng này có thể là tổng của tín hiệu hình sin ở tần số cơ bản và các hình sin có tần

số là bội số nguyên lần của tần số cơ bản Các tín hiệu hình sin có tần số là bội số nguyên lần của tần số cơ bản được gọi là các sóng hài ,đây là nguyên nhân gây tổn hao trên lưới điện, bội số nguyên này được gọi là bậc sóng hài

Công cụ toán học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tích Fourier Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có chu kỳ (không sin) thì có thể phân tích được thành tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin như Hình 1.1:

Hình 1.1 Dạng sóng và bậc sóng hài

Tổng các sóng hình sin là chuỗi fourier, được biểu diễn theo công thức sau:

Trong đó: A0 là biên độ thành phần 1 chiều

Ch sin(ℎ 𝜔0 𝑡 + 𝜓h) sóng sin bậc h (h=1 thì C1 sin(𝜔0 𝑡 + 𝜓1) là thành phần dòng điện tần số 50Hz đang được sử dụng) Thành phần sóng bậc cao càng nhiều thì sóng hình sin càng méo tức biên độ sóng dao động càng mạnh

Để đo độ méo sóng hài ta có thể sử dụng hệ số méo dạng toàn phần THD (Total Harmonic Distortion)

Trong đó: C1 là biên độ dòng điện/điện áp cơ bản

Ch là biên độ dòng điện/điện áp sóng sin thứ h

Điểm đo hiệu quả nhất để đánh giá độ méo là tại điểm thanh cái chung PCC (Point of Common Coupling) Trong một nhà máy công nghiệp, PCC là điểm kết nối giữa tải phi tuyến và các tải khác Theo tiêu chuẩn IEEE 519 thì để đo sóng hài phải theo dõi cần 15-

30 phút Với những nguồn cung cấp nhỏ nhưng lại có dòng lớn hơn so với dòng danh định, các công thức trên sẽ cho một độ méo đo được có vẻ lớn hơn và ngược lại những nguồn lớn nhưng có dòng nhỏ sẽ cho độ méo nhỏ Để khắc phục, người ta dùng cách tính tổng độ méo dựa trên dòng tải IL, còn gọi là tổng độ méo nhu cầu (Total Demand Distortion – TDD)

Độ méo lúc này được tính bằng % biên độ của dòng định mức hay dòng tải lớn nhất, chứ không phải theo % của dòng điện cơ bản Trong đó IL là giá trị trung bình của dòng tải nhu cầu đỉnh của 12 tháng trước đây, với các thiết bị mới lắp đặt IL có thể được ước lượng dựa trên các tài liệu của thiết bị

Trong hệ thống điện, sóng hài thường bị lẫn trong tần số cơ bản theo một tỷ lệ nào đó, tỷ

lệ này phụ thuộc vào vị trí và đặc tính của các phụ tải trên lưới phân phối

đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba giống nhau,phân tư chu kỳ thứ hai và thứ tư giống nhau Loại hài này thường xuất hiện trên các tải là chỉnh lưu cầu do nửa chu

kỳ âm và dương trên chỉnh lưu này đối xứng nhau.(do đó các hài bậc chẵn bị tiêu diệt)

Hình 1.3 Ví dụ về sóng hài bậc lẻ(a) và chẵn(b)

• Hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ dương Một đặc điểm khác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư thứ nhất và thứ tư giống nhau, phần tư thứ hai và thứ ba giống nhau Dạng này ít gặp ở các hệ thống phân phối điện công nghiệp

1.2 Nguyên nhân sinh ra sóng hài trong hệ thống điện

Các nguồn sinh ra sóng hài trong công nghiệp được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến.Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép MBA, động cơ (đặc tính bão hòa của vật liệu sắt 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, nguồn hàn các hệ truyền động điện,

lò hồ quang điện, lò nấu thép cảm ứng

1.2.1 Quan hệ dòng điện và điện áp trên phụ tải tuyến tính và phi tuyến

Trong hệ thống điện, các loại tải có dòng điện chạy qua tỷ lệ bậc 1 với điện áp đặt lên tải được gọi là tải tuyến tính, ví dụ về loại tải này là tải thuần trở với hệ số nhiệt điện trở bằng 1, động cơ một chiều (không sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất) có phụ tải

cơ bậc 1 như quạt gió, bơm

Hình 1.4 Quan hệ dòng và áp trên tải tuyến tính

Ngược lại, các phụ tải phi tuyến có dòng điện chạy qua không đồng dạng với dạng của điện áp đặt lên tải, nghĩa là trở kháng của nó thay đổi theo điện áp, thời gian, phụ tải cơ học hoặc các đại lượng khác Điều này làm cho dòng điện không còn phụ thuộc tuyến tính vào điện áp và không còn dạng hình sin, điện áp đặt trên tải này cũng bị biến dạng theo và bị méo, xuất hiện thành phần không sin

Hình 1.5 Điện áp phi tuyến gây ra bởi dòng phi tuyến

Điển hình của loại phụ tải này là các phụ tải sử dụng biến đổi điện tử công suất như biến tần, chỉnh lưu có điền khiển, các thiết bị hàn hồ quang, các thiết bị có mạch từ hoạt động

ở chế độ bão hòa từ theo thiết kế hoặc các dạng bão hòa từ không mong muốn Đồ thị Hình 1.6 dưới đây mô tả dạng dòng điện của một chỉnh lưu có điều khiển, dòng điện chỉ xuất hiện khi các khóa điện tử ở trạng thái dẫn và kết quả là gây ra một sự méo dạng trên

hệ thống

Hình 1.6 Quan hệ dòng điện và điện áp trên tải phi tuyến

Như vậy, các phần từ phi tuyến tham giá vào lưới điện chính là nguyên nhân gây ra hài, theo định nghĩa trong IEEE 519-1992 thì hài là các thành phần sóng sin tuần hoàn (có thể

là dòng điện hoặc điện áp) có tần số là bội số của tần số cơ bản, đặc trưng của hài là gây

ra độ méo dạng dòng về dòng điện và điện áp

1.2.2 Một số nguồn phát sinh sóng hài trong lưới phân phối

Các loại tải phi tuyến khác nhau sinh ra các loại hài khác nhau về bậc và phổ của hài, việc nắm được các thành phần hài đặc trưng được sinh ra trên từng loại thiết bị sẽ giúp việc thiết kế các bộ lọc hài một cách hiệu quả và kinh tế hơn, dưới đây ta phân tích nguyên nhân gây ra hài trên các phần tử phi tuyến chính trong hệ thống điện

Hình 1.7 Sóng hài và các méo dạng gây ra do các thành phần hài bậc 2, 3, 4

a Máy biến áp

Các máy biến áp điện lực thông thường được thiết kế để hoạt động trong vùng tuyến tính của mạch từ, tuy nhiên, một số trường hợp vận hành sẽ dẫn đến việc mạch từ của máy bị bão hòa như máy hoạt động quá công suất thiết kế, vận hành ở điện áp cao hơn điện áp thiết kế

Hình 1.8 Méo dạng do bão hòa từ

Khi độ lớn của từ thông trong máy bị đẩy lên đến vùng phi tuyến (C-B, E-F) sẽ tạo ra hài

và gây méo dạng sóng Khi hoạt động ở chế độ bão hòa từ, máy biến áp gây ra khá nhiều hài bậc lẻ,trong đó thành phần bậc 3 là lớn nhất

Trong các máy biến áp 3 trụ, từ thông sinh ra do hài bậc 3 ở các pha tác động lên các trụ cùng một phương, từ thông này mở rộng ra bên ngoài lõi từ, sự tương tác này làm giảm dòng hài bậc 3 xuống một giá trị nhỏ, tuy nhiên, phần bậc 5 và 7 vẫn khá lớn (hài bậc 5 đến 10%) và gây méo đáng kể

Hài bậc chẵn thường chỉ xuất hiện khi hai nửa chu kỳ không đối xứng, ở trạng thái xác lập, hầu như không có hài bậc chẵn Tuy nhiên trong chế độ quá độ, như khi đóng điện MBA thì các loại hài bậc thấp đều có thể xuất hiện, trong đó thành phần hài bậc chẵn thường được dùng để hãm tác động của rơle so lệch dọc khi đóng điện cho MBA

Việc sử dụng các bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ (có hoặc không có điều khiển) sẽ gây ra thành phần dòng một chiều lẫn trong dòng tải, dưới tác dụng của thành phần DC này, sự bão hòa từ cũng sẽ xảy ra sớm hơn và nặng nề hơn

b Động cơ điện

Ngoài vấn đề về bão hòa từ, trong các động cơ điện thường có mật độ bất đối xứng nhất định của các khe từ trên stator và rotor, hoặc sự không đồng đều của hình dạng các bối dây ba pha trên stator, kết quả là dòng điện qua động cơ bị biến thiên không đồng đều theo góc quay của stator và gây ra các thành phần hài Các thành phần này gây ra sức điện động trên dây quấn stator với tần số bằng tỉ số tốc độ trên bước sóng, kết quả của sự phân

bố các lực từ động này sinh ra các thành phần hài là một hàm số của tốc độ, các thành phần hài khác cũng có thể phát sinh do sự bão hòa của mạch từ (mạch từ stator, rotor, tương tác stator, rotor )

Khi không có biến áp đấu tam giác, một động cơ đồng bộ 3 pha có thể sinh ra một dòng hài bậc 3 có giá trị lên tới 30% nếu hoạt động ở vùng bão hòa từ

Đồ thị dưới đây minh họa dạng dòng điện trên một động cơ có THD = 10.5%

Hình 1.9 Dạng dòng điện của một động cơ có THD=10.5%

c Các thiết bị điều khiển công suất

Ngày nay, các thiết bị biến đổi điện tử công suất đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các phụ tải điện với mục đích điều tiết linh hoạt truyền động điện, các quá trình nhiệt hoặc hệ thống truyền tải điện một chiều Các bộ biến đổi này rất đa dạng, loại nhỏ được áp dụng trong hầu hết các bộ nguồn của thiết bị điện tử dân dụng Những loại công suất lớn được dùng trong điều khiển truyền động các động cơ của phương tiện vận tải như tàu điện, thang máy, máy nâng, trong điện lực như các thiết bị HVDC, trong công nghiệp thép, điện phân…

Việc đóng ngắt đột ngột, theo chu kỳ của các thiết bị biến đổi công suất gây ra độ phi tuyến lớn ở dạng dòng và áp

Hình 1.10 Đóng ngắt trong thiết bị điện tử công suất

Một ví dụ với loại điều khiển nửa chu kỳ dùng GTO (Gate Turn Off Thyristor) như hình trên, trong đó dòng điện chỉ xuất hiện ở 1 đoạn của bán kỳ dương, gây ra thành phần một chiều, thành phần thứ tự không và cả các hài bậc chẵn; đây là đặc trưng riêng của hệ ĐTCS ba pha không cân bằng, phổ hài xuất hiện theo dạng như hình dưới

Hình 1.11 Ví dụ về phổ hài trên một thiết bị điện tử công suất

Một loại đóng ngắt điện tử khác là hệ thống dùng IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Với loại này, dòng điện sẽ được cắt ở cả hai nửa bán chu kỳ nên không gây ra hài bậc chẵn, chỉ phát sinh các thành phần bậc lẻ và bậc không

Hình 1.12 Dạng sóng và phổ hài trong hệ IGBT

Một ví dụ của hệ này là bộ điều khiển truyền động VFD 6 xung như trên Hình 1.13

Hình 1.13 Chỉnh lưu điều khiển ba pha – phần mạch lực

Dòng hài sinh ra từ động cơ sẽ bị chặn lại ở phía tải, sau hệ thống DC; nhưng do quá trình chuyển pha của thyristor, hài sẽ xuất hiện ở phía lưới, thực tế cho thấy với loại cầu điều khiển 6 xung, các bậc của hài xuất hiện: h = (p*k±1)

Với k là một số nguyên lớn hơn 1, với hệ 6 xung thì p=6, hài xuất hiện là bậc lẻ 5,7,9,11,13 ; với hệ 12 xung thì hài xuất hiện sẽ có bậc 11,13,23,25,35,37…

Đóng góp vào việc phát sinh hài do các thiết bị điện tử công suất còn có các phần tử khác như STATCOM, SVC, HVDC, biến tần công nghiệp.v.v khi hoạt động với góc α >0 1.2.3 Ảnh hưởng của sóng hài lên các phần tử trên lưới phân phối

Sóng hài có thể gây ra các hiệu ứng ảnh hưởng đến thiết bị như: làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung Tụ điện quá nhiệt

và trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện và thiết bị đo cho kết quả sai

a Ảnh hưởng trên máy biến áp

Về tổn thất nhiệt: các tổn hao ở MBA là tổn hao không tải, phụ thuộc vào dòng điện cần thiết để từ hóa lõi từ của máy, phần này nhỏ và có thể bỏ qua khi xét ảnh hưởng của hài,

và phần tổn hao có tải, là tổn hao chịu ảnh hưởng lớn bởi các thành phần hài

Dòng hài làm tăng tổn hao sắt từ (gây ra bởi từ trễ khi dòng điện đổi chiều, làm cho từ trường đổi chiều và tổn hao do dòng xoáy) Tổn hao đồng và tổn hao do từ thông tản cũng tăng lên dưới tác dụng của các thành phần hài do sự gia tăng phát nhiệt Xung áp tăng do du/dt tăng làm ảnh hưởng đến cách điện của cuộn dây, sự cộng hưởng không mong muốn của trở kháng dây quấn với điện dung của mạch ngoài cũng làm tăng tổn thất và gây ra các dao động, tiếng ồn

Phần tổn hao đồng được tính:

𝑃𝐶𝑈 = 𝐼ℎ𝑑2 𝑅 Với Ihd là tổng giá trị hiệu dụng của dòng điện, hiệu ứng mặt ngoài, xảy ra mạnh ở tần số cao cũng góp phần làm tăng R biểu kiến và do vậy tăng 𝑃𝐶𝑈

Tổn thất trên trung tính: với các MBA phân phối có trung tính nối đất, thường là tổ nối dây Δ/Y, các dòng hài bội 3 như bậc 3, 9, 15…không thể đi qua nhưng lại chạy quẩn trong cuộn sơ cấp và làm tăng tổn hao do phát nhiệt

Với tải tuyến tính và các pha cân nhau thì không xuất hiện dòng trung tính, nhưng với các hài bội 3, dòng trung tính tổng cộng gây ra (chủ yếu bởi hài bậc 3) có thể lên tới 173% dòng điện pha Một số trường hợp thậm chí có thể làm cháy dây trung tính của biến áp

Do tác động có hại của hài, ở những phụ tải phi tuyến, nhà sản xuất MBA thường phải dùng “hệ số K”, có nghĩa là chế tạo một MBA với công suất lớn hơn để dùng cho tải phi tuyến đó

b Ảnh hưởng trên các động cơ cảm ứng

Ảnh hưởng nhiệt: Tương tự như đối với máy biến áp, các thành phần hài làm tăng tổn hao sắt và tổn hao đồng do sự phát nhiệt, các tổn hao do hiệu ứng mặt ngoài gây ra cũng phức tạp hơn, đặc biệt là với các tần số lớn hơn 300Hz Các công thức tính tổn hao đồng và tổn hao do dòng xoáy cùng tương tự như đối với MBA

Động cơ với rotor rãnh sâu lồng sóc kép càng nhạy cảm hơn với các tổn hao do hài, đặc biệt với bậc hài cao, một số trường hợp gây đốt nóng rotor và làm hỏng các ổ đỡ, để hạn chế ảnh hưởng của dòng phát sinh trong rotor, người ta thường sử dụng các ổ đỡ, ổ bi cách điện

Ảnh hưởng của các thành phần hài thuận, nghịch, không:

- Các thành phần hài thứ tự thuận (bậc 7, 13, 19 ) sẽ cản lại sự tạo mô-men

- Các thành phần thứ tự nghịch (bậc 5, 13, 17 ) gây ra các xung cản lại mô men quay

- Các thành phần bội ba không gây ra mô men quay, thành phần này sẽ bị biến thành nhiệt năng gây tổn hao nhiệt

c Ảnh hưởng trên cáp điện

Tác động nhiệt: cáp điện khi dẫn một dòng điện có thành phần hài sẽ gây tăng tổn hao do phát nhiệt I2R

Ví dụ: Tính dòng hiệu dụng chạy qua cáp với tổng méo dòng do hài là 42%, dòng cơ bản

Ở tần số cơ bản, hai hiệu ứng này tác động không đáng kể và có thể bỏ qua, nhưng ở tần

số cao hơn thì tổn thất I2R sẽ tăng rất rõ rệt do R biểu kiến tăng

𝐼ℎ = √3 ℎ 𝜔 𝐶 𝑈𝑛Với h là bậc của hài, ω là vận tốc góc cơ bản, Un là điện áp tương ứng của hài bậc h Các bộ tụ là nơi sẽ thu hút và hấp thụ các thành phần hài, do vậy các tụ điện (cùng với cuộn kháng điện) dễ dàng bị phá hỏng, cầu chì hoặc MCB sẽ bị cháy

Sự xuất hiện của điện áp hài cũng gây tăng tổn hao điện môi, làm tăng nhiệt độ và giảm

độ tin cậy của tụ điện

Tụ điện cũng có thể gây ra sự cộng hưởng, gây tăng dòng và áp cục bộ và có thể phá hỏng các thiết bị điện

Sự cộng hưởng xảy ra khi phần điện cảm và điện dung tương đương nhau trong một mạch điện, tùy theo cách nối của điện cảm và điện dung mà ta có công hưởng nối tiếp hoặc song song, tần số cộng hưởng khi XL=XC:

𝐹𝑟 = 12𝜋√𝐿 𝐶Với cộng hưởng nối tiếp, về lý thuyết thì tổng trở kháng sẽ triệt tiêu:

𝑍⃑ = 𝐽(𝑋𝐿 − 𝑋𝐶) = 0

Do vậy với cộng hưởng song song, tổng trở kháng về lý thuyết = ∞:

𝑍 = 𝑋𝐿 𝑋𝐶𝐽(𝑋𝐿 − 𝑋𝐶)→ ∞ Như vậy, nếu một nguồn xoay chiều có tần số xấp xỉ tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng nối tiếp thì dòng điện trong mạch sẽ tăng mạnh và có thể gây hư hỏng các thiết bị Trường hợp cộng hưởng song song có dòng hài do tải phi tuyến đi qua có thể gây quá điện áp

Tần số cộng hưởng fr có thể được xác định bằng biểu thức:

𝑓𝑟 = 𝑓1√𝑋𝑐

𝑋𝐿Trong đó f1 là tần số cơ bản, XC là điện kháng của tụ và XL là cảm kháng ở tần số cơ bản của phía nguồn, tính từ điểm tụ được nối vào

Hình 1.14 Tổng trở của mạch LC tại tần số cộng hưởng

Như vậy khi tính toán thiết kế cần xét đến cả các tần số của hài để tránh hiện tượng cộng hưởng, phương pháp thường dùng là thay đổi (mắc thêm) một điện cảm phía trước tụ điện

Trên đây, ảnh hưởng của hài lên một số phần tử của lưới phân phối đã được xem xét, ngoài ra, hài còn có các ảnh hưởng xấu khác như làm sai lệch điểm tác động của rơ le, cầu chì, MCB, gây nhiễu và cản trở hoạt động của các hệ thống thông tin, truyền thông Với

sự gia tăng của thành phần hài trên lưới, việc tính toán và áp dụng các biện pháp triệt hài đang ngày càng trở nên cần thiết

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN 2.1 Tiêu chuẩn và quy định về mức sóng hài trong hệ thống điện

Hiện nay, tiêu chuẩn được áp dụng phổ biến nhất trên thế giới trong việc quy định mức độ của các thành phần hài là IEEE 519-1992 Phần quan trọng nhất trong tiêu chuẩn là quy định về thành phần và độ lớn cho phép của các thành phần hài mà các hộ dùng điện có tải phi tuyến phải kiểm soát tại điểm đấu nối chung PCC, theo các bảng dưới đây

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 về sóng hài dòng & áp

ISC: Dòng ngắn mạch lớn nhất tối đa tại điểm điểm nối chung PCC

IL: Thành phần cơ bản của dòng tải nhu cầu lớn nhất tại điểm nối PCC

Ngày 18/11/2015 Bộ Công Thương có ban hành thông tư TT_39_2015_TT_BCT về việc quy định hệ thống điện truyền tải trong đó có yêu cầu chi tiết về các thông số điện năng như sau:

2.2 Các phương pháp giảm thiểu sóng hài trên lưới phân phối

Có rất nhiều phương pháp được sử dụng để loại trừ các thành phần hài, nhìn chung thì có hai phương pháp chính là:

- Sử dụng bộ lọc chủ động dựa trên các thiết bị điện tử công suất để bơm các thành phần thích hợp lên lưới nhằm triệt tiêu hài

- Sử dụng các bộ lọc thụ động: dùng các hệ thống R-L-C hoặc bằng các phương pháp đấu nối để ngăn chặn hài lan tỏa trên lưới

Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng như liệt kê sau đây

2.2.1 Thay đổi kết cấu của lưới cung cấp điện

Đây là phương pháp đơn giản nhất, nhưng liên quan đến quy hoạch hệ thống Các hộ tiêu thụ có sử dụng các tải phi tuyến lớn sẽ được phân loại và đánh giá các thành phần hài sẽ gây ra trên lưới

Việc phân bố các loại tải này hợp lý trên lưới phân phối, xen kẽ các tải phi tuyến và tuyến tính một cách hợp lý sẽ làm giảm THD do các tải tuyến tính tác động như một nhánh làm suy giảm hài tự nhiên Cùng với việc cân bằng các pha, việc phân bố tải phi tuyến sẽ mang lại lợi ích lớn trong việc giảm thiểu các ảnh hưởng của hài, giữ cho các thành phần hài nằm trong giới hạn cho phép

2.2.2 Tăng công suất phía nguồn cung cấp

Việc tăng tỷ lệ giữa dòng ngắn mạch và dòng tải yêu cầu làm cho phía nguồn cung cấp trở nên khỏe hơn Phía nguồn cung cấp được coi là khỏe hơn khi có thêm các máy biến áp làm việc song song hoặc đấu nối thêm máy phát điện vào để tăng cường trong giờ cao điểm, hoặc tăng hệ số dự phòng nóng Tăng công suất máy biến áp hoặc tăng cường thêm nguồn sẽ làm tổng trở trong nguồn giảm đi, sụt áp gây ra do dòng hài phụ thuộc vào thành phần cảm kháng của hệ thống và dòng này gây ra một điện áp rơi càng nhỏ nếu trở kháng của nguồn càng nhỏ, điện áp méo nhỏ sẽ khiến hài khó lan tỏa hơn trong hệ thống

2.2.3 Sử dụng các cuộn kháng lọc nối tiếp

Hình 2.1 Dùng cuộn kháng lọc nối tiếp

Đây là phương pháp đơn giản và rẻ tiền nhất để làm suy giảm các thành phần hài, cuộn kháng lọc truyền thống thường được xem như một phần tử hạn chế dòng ngắn mạch, nhất

là trước các phụ tải xung như lò luyện thép hồ quang, tuy nhiên nó cũng thể hiện tác dụng

trong việc ngăn chặn hài lan tỏa trên lưới Cuộn kháng được nối tiếp vào tải sẽ hạn chế hài và các xung điện áp cao, tác dụng này phụ thuộc vào trở kháng của cuộn kháng so với tải

Như vậy, giá trị này phụ thuộc vào dòng qua tải Trong đa số trường hợp thì trở kháng của MBA rất nhỏ so với tải; một MBA 500kVA, điện kháng 5% cấp cho các tải 50 kVA sẽ chỉ thể hiện điện kháng 0.5%

Cuộn kháng thường được đặt trước mỗi tải phi tuyến để phát huy được trở kháng hiệu quả của nó, thường thiết kế từ 3-6%

Hình 2.2 Cuộn kháng lọc hài Mikro

Phương pháp này có giá thành rẻ, thường được sử dụng cho các bộ biến tần, chỉnh lưu 6 xung, cuộn kháng sẽ làm giảm tốc độ tăng của dòng khi chuyển từ van này sang van khác Thực tế ở điều kiện tối ưu, một cuộn kháng 3% có thể giảm độ méo dòng THDI từ 80% xuống 40%, tuy nhiên tác dụng của cuộn kháng bị giảm đi khi dòng điện giảm, giá trị của cuộn kháng không thể lấy cao được vì sẽ gây ra sụt áp làm giảm điện áp trên động cơ

Hình 2.4 Máy biến áp cách li

Nếu được lựa chọn tốt, biến áp cách ly có thể cho độ suy giảm hài tương đương cuộn kháng, ưu điểm là nhờ màn chắn tĩnh điện, nó loại bỏ được các nhiễu và tạo độ cách ly an toàn giữa sơ cấp và thứ cấp Do vậy biến áp cách ly được dùng cho các tải nhạy cảm với nhiễu như các hệ thống điều khiển, thông tin vô tuyến

Nhược điểm của biến áp cách ly là kích thước lớn, giá thành đắt, với loại nhỏ có thể tới

150 USD cho 1 kW; do vậy, phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho các phụ tải điện

tử công suất loại nhỏ

2.2.5 Bộ lọc hài thông thấp

Bộ lọc cộng hưởng đơn chỉ lọc được 1 bậc hài, để khắc phục, bộ lọc thông thấp sẽ làm suy giảm đa số các bậc hài Cấu tạo của loại lọc này gồm một số phần tử nối tiếp và một mạch cộng hưởng đơn như Hình 2.5:

2.2.6 Bộ lọc thụ động kiểu C

Hình 2.6 Bộ lọc thụ động kiểu chữ C

Cấu trúc chung của bộ lọc chữ C như Hình 2.6

Tụ Ca và cảm Lm cộng hưởng tại tần số cơ bản, do vậy ở 50Hz, thành phần điện trở R gần như bị ngắn mạch và không sinh ra tổn hao trên điện trở này Lúc này chỉ còn điện dung

Cm tham gia vào mạch như một tụ bù, cung cấp công suất phản kháng làm tăng hệ số công suất của hệ thống

Tại các tần số cao hơn sinh ra do hài, dung kháng Ca nhỏ trong khi cảm kháng Lm lại lớn,

bộ lọc kiểu chữ C hoạt động theo nguyên lý của lọc thông cao, nghĩa là nó chỉ để lại tần

số cơ bản, các tần số hài cao hơn tần số cắt của nó sẽ bị suy giảm do tiêu tán trên R

Hình 2.7 Một hệ thống lọc hài thụ động trên lưới phân phối 110kV (Ba Lan)

Chi tiết hơn về cách tính toán thiết kế loại bộ lọc này sẽ được dề cập ở chương sau

2.2.7 Các bộ chỉnh lưu 12 xung và 18 xung

Thực chất của phương pháp này là dùng một số cách thiết kế đặc biệt để giảm các bậc hài

có tỷ lệ lớn trong các bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển

Hình 2.8 Chỉnh lưu điều khiển 12 xung

Như đã phân tích ở phần trước, với mạch chỉnh lưu 6 xung, phổ hài sinh ra chủ yếu là các hài bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19 theo công thức

𝐻 = 𝐾 𝑝 ± 1 Với K là số nguyên và p là số xung trong một chu kỳ chỉnh lưu

Hình 2.9 Chỉnh lưu điều khiển 18 xung

Với hệ 18 xung, hài sinh ra sẽ có bậc 17, 19, 35, 37

Nguyên lý triệt hài của phương pháp này là sự dịch pha tương đối của cầu chỉnh lưu này

so với cầu kia, dẫn đến một số bậc hài đặc trưng trên cầu này sẽ triệt tiêu với hài sinh ra trên cầu kia Sự dịch pha này được hình thành do các cách đấu dây khác nhau trên cuộn thứ cấp của các biến áp cấp nguồn

Hài bậc 5, 7 thông thường có biên độ lớn nhất sẽ được triệt bỏ về mặt lý thuyết, trên thực

tế loại hài này chỉ còn lại khoảng 2-3% trong phổ hài chung

Hình 2.10 Minh họa đơn giản về tác dụng khử hài bậc 5 và 7 trong hệ 12 xung

Ở trường hợp 12 xung, máy biến áp có 2 cuộn thứ cấp, một nối sao và cuộn còn lại nối tam giác, cấp nguồn cho 2 chỉnh lưu 6 xung Chỉnh lưu 18 xung dùng biến áp có thứ cấp

là 3 cuộn dịch pha, góc dịch pha ở thứ cấp bằng 360o chia cho số xung; ví dụ với loại 12 xung thì góc này là 360/12 = 30o và 18 xung thì góc là 20o Độ dịch pha này sẽ làm cho hài sinh ra từ bộ chỉnh lưu này ngược pha với hài sinh ra trên bộ kia và triệt tiêu lẫn nhau Tác dụng dịch pha của biến áp do vậy sẽ làm triệt tiêu các thành phần hài theo cặp, ví dụ bậc 5, 7 hoặc 11,13, tùy theo đặc tính của thiết bị tạo ra loại hài nào nhiều nhất để thiết kế góc dịch pha nhằm triệt tiêu bậc hài đó

Ngoài ra, khi có nhiều xung hơn nghĩa là sự biến thiên của dòng tải cũng được băm nhỏ hơn, mức độ phi tuyến gây méo nói chung cũng vì thế mà giảm đi

Hình 2.11 Máy biến áp dịch pha 35kV

Phương pháp này đơn giản và hiệu quả, nhưng làm tăng giá thành đáng kể do phải đặt hàng loại biến áp dịch pha đặc biệt, phải có nhiều cuộn thứ cấp và bộ chỉnh lưu

Trường hợp nếu nguồn cung cấp đến đã chứa sẵn các thành phần hài thì hiệu quả của bộ lọc tích cực cũng sẽ bị suy giảm đáng kể

Hình 2.13 Bộ lọc tích cực của hãng Schneider Electric

Bộ lọc tích cực có hiệu quả lọc với từng loại tải phi tuyến đặc trưng tốt, nhưng do sử dụng các thiết bị điện tử công suất nên giá thành khá cao, nếu tính theo dòng hài được triệt thì vào khoảng 30.000 USD cho 50A và lên đến 100.000 USD cho 300A, loại lọc này thường được tích hợp trong các hệ thống biến tần cỡ lớn

Việc bảo dưỡng các bộ lọc này cũng phức tạp và tốn kém, tổn hao điện năng trên lọc tích cực nói chung cũng thường lớn hơn trên các bộ lọc thụ động

Chương 3: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÀ ĐƯA RA QUY TRÌNH

THIẾT KẾ BỘ LỌC CỘNG HƯỞNG ĐƠN VÀ BỘ LỌC KIỂU C

3.1 Giới thiệu chung

Một trong những phương pháp hiệu quả và phù hợp về kinh tế, kỹ thuật trong việc lọc các thành phần hài trong công nghiệp, đặc biệt là khi phổ hài không trải quá rộng, là sử dụng các bộ lọc thụ động Cơ bản có 2 loại lọc thụ động phổ biến là :

Tuned filter, hight filter và C-type filter như Hình 3.1

Hình 3.1 Các bộ lọc hài thụ động

thiết kế dạng cộng hưởng đơn, tạo ra một lối thoát có trở kháng thấp đối với tần số hài được tính toán và kiểu lọc dải thông (Band-pass Filter), có thể làm suy giảm các tần số hài trong một dải tần số nhất định, cũng trên nguyên tắc tương tự là rẽ dòng hài đi qua tải

3.2 Bộ lọc thụ động loại cộng hưởng đơn

3.2.1 Giới thiệu chung về bộ lọc cộng hưởng đơn

Bộ lọc kiểu cộng hưởng đơn (Single Tuned Passive Harmonic Filter - STF) có khả năng lọc hài hiệu quả đối với bậc hài được thiết kế, do vậy việc có thông số của các loại hài phát sinh tại vị trí đặt bộ lọc là rất quan trọng [3, 4, 5, 6] Ngoài chức năng lọc hài, thiết bị STF còn có tác dụng bù công suất phản kháng, nâng cao hệ số công suất như một hệ thống tụ bù truyền thống

Hình 3.2 Mạch lọc hài thụ động kiểu cộng hưởng đơn

Yêu cầu của thiết kế là trở kháng của STF ở tần số cộng hưởng phải nhỏ hơn trở kháng của hệ thống Với mạng hạ áp có tỷ lệ X/R nhỏ thì một bộ STF có thể đủ đảm bảo hiệu quả lọc cần thiết

Cầu trúc của STF gồm một cuộn kháng nối tiếp với một tụ điện, ngoài ra còn có đóng góp của thành phần điện trở R được tạo bởi điện trở thuần của cuộn kháng và cáp dẫn Bộ lọc STF được thiết kế để cộng hưởng và tạo một đường thoát cho tần số hài được tính toán để lọc bỏ Tần số cộng hưởng được tính:

𝑓(ℎ) = 1

Trong đó:

- f (h): Tần số cộng hưởng tính bằng Hz

- L: Điện cảm tổng cộng của bộ lọc tính bằng Henry

- C: Điện dung của bộ lọc tính bằng Fara

Theo biểu thức trên, một cách đơn giản nhất thì nếu đã biết giá trị của C (phụ thuộc vào công suất phản kháng yêu cầu Q), ta sẽ xác định ngay được giá trị của điện kháng L cần thiết để STF cộng hưởng được với một tần số hài mong muốn

Để điều chỉnh hệ số chất lượng (q), một điện trở thường được thêm vào mạch (có thể là nội trở của cuộn kháng, nếu tính toán cho thấy với giá trị thuần trở này thì hệ số chất lượng (q) đã thỏa mãn yêu cầu về tần số hài được lọc)

Với sự tham gia của cả thành phần điện trở thuần này vào mạch, trở kháng tổng cộng của

bộ lọc được biểu diễn ở dạng phức:

𝑍 = 𝑅 + 𝑗 [𝜔𝐿 − 1

Cộng hưởng nối tiếp xảy ra khi phần ảo của Z bằng không, chỉ còn thành phần thuần trở tham gia vào mạch, tần số cộng hưởng là tần số mà tại đó thành phần cảm kháng và dung kháng triệt tiêu nhau được xác định như trên công thức (III.1), với h là bậc hài, ta có cảm kháng của cuộn kháng và dung kháng của tụ:

STF được thiết kế để cộng hưởng ở tần số hài được triệt, tuy nhiên, trên thực tế nó thường được thiết kế với tần số cộng hưởng thấp hơn tần số hài cần triệt khoảng 3÷15% vì một số

lí do:

- Nếu cộng hưởng đúng tần số hài, mạch LC sẽ thu hút tất cả các dòng hài ở tần số

đó từ phụ tải phi tuyến gần nó nhất và cả từ các hệ thống lân cận, do vậy sẽ dẫn tới quá dòng và có thể phá hỏng STF

- Thông thường, điện dung của tụ sẽ bị giảm dẫn theo thời gian, nguyên nhân là do dầu trong lớp điện môi bị khô dần và điện môi bị lão hóa, dẫn đến việc tần số cộng hưởng ngày càng tăng lên và STF sẽ mất tác dụng, do vậy STF được thiết kề với tần số thấp hơn để bù lại lượng suy giảm điện dung của tụ, được tính toán theo tuổi thọ của STF, cùng với một lượng nhỏ nữa để tránh quá dòng như giải thích trên

- Việc thiết kế với tần số cộng hưởng thấp hơn còn nhằm mục đích di chuyển tần số cộng hưởng song song ra xa hơn tần số hài cần lọc, nếu cộng hưởng song song (do tương tác giữa điện dung của tụ và phần điện cảm của hệ thống) xảy ra, điện áp trên tải, thường là các chỉnh lưu điều khiển bị tăng cao sẽ phá hỏng các linh kiện điện tử công suất trong mạch

Chi tiết về vần đề này sẽ được đề cập thêm trong phần 0 dưới đây

Như đã biết, khi tần số càng giảm đi so với tần số cộng hưởng, cảm kháng sẽ càng giảm

đi, dung kháng sẽ càng tăng thêm, ở 50 Hz thì:

𝑋𝐹(1) = 𝑋𝐶(1)− 𝑋𝐿(1) (III.9)

𝑋𝐹(1) =𝑈1

𝑄1 (III.10) Với h là bậc hài được thiết kế thì để đạt điều kiện cộng hưởng, cảm kháng và dung kháng phải tương đương nhau, ta có:

3.2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng cần xem xét trong thiết kế STF

a Vấn đề ảnh hưởng của cộng hưởng song song trong thiết kế STF

Với bộ lọc loại cộng hưởng đơn, thường xuất hiện cộng hưởng song song do tương tác dao động giữa bộ lọc và điện kháng của phần nguồn cung cấp (LS trong hình Error! Reference source not found.), đặc điểm của cộng hưởng song song là gây ra một đỉnh

trở kháng cao nhìn từ phía tải, tại tần số hơi nhỏ hơn tần số cộng hưởng của bộ lọc như trên đồ thị tần số-trở kháng dưới đây:

Hình 3.3 Hiện tượng cộng hưởng song song trên lưới có bộ lọc STF

Tần số cộng hưởng song song được tính theo công thức:

2𝜋√(𝐿𝑆 + 𝐿)𝐶 (𝐼𝐼𝐼 17) Trường hợp có nhiều bộ lọc STF được sử dụng, đồ thị sẽ xuất hiện nhiều đỉnh cộng hưởng ở các tần số khác nhau, các đỉnh này có thể bị xê dịch trong quá trình vận hành thực tế do sự biến thiên của L, C và Ls trong hệ thống (do sự cố, đứt chì của tụ, thay đổi tổng trở phía nguồn do quá trình cải tạo lưới, đóng ngắt các máy biến áp ở phía nguồn, đóng cắt tụ bù ở phía tải )

Ảnh hưởng lớn nhất của sự thay đổi trở kháng phía nguồn là đỉnh trở kháng cao được tạo thành bởi cộng hưởng song song Việc đỉnh này rơi trùng vào tần số thiết kế của STF sẽ làm cho trở kháng (lẽ ra phải rất thấp) tăng cao nhanh chóng và làm mất tác dụng của STF

Các tình huống sau cũng cần được cân nhắc khi thiết kế STF:

- Đứt chì hoặc nhảy thiết bị bảo vệ trên một nhóm tụ hoặc 1 pha, dẫn đến giảm điện dung tổng ba pha và làm tăng tần số cộng hưởng của STF;

- Nhiệt độ cao gây suy giảm điện dung của tụ theo thời gian;

- Các thay đổi về kết cấu lưới cung cấp ở phía nguồn trong tương lai, dẫn tới thay đổi trở kháng, điện cảm Ls, gây thay đổi điểm cộng hưởng song song;

- Sai số chế tạo của cuộn kháng và tụ điện, dẫn đến thay đổi điểm cộng hưởng mong muốn

Do vậy, đối với các bộ lọc lớn, thường sử dụng các thiết bị phân tích để nhận biết tình trạng hoạt động bình thường của STF và kịp thời xử lý khi có các thay đổi ảnh hưởng đến tác dụng lọc hài của nó Trong quá trình thiết kế, có thể dùng Frequency Scan, hoặc trong quá trình vận hành cũng có thể dùng các thiêt bị chuẩn đoán online để xác định các thông

số về cảm, dung của hệ thống

b Vấn đề hệ số chất lượng trong thiết kế STF

Hệ số chất lượng của một STF thể hiện độ tập trung, nói lên khả năng tiêu tán phần năng lượng đã hấp thụ được tại tần số cộng hưởng, theo cách đánh giá của IEEE:

𝑞 = 𝜔𝑇

𝜔1− 𝜔2 (𝐼𝐼𝐼 18) Trong đó ωT là tần số cộng hưởng, ω1 và ω2 là tần số của dải tần ở về 2 phía của tần số cộng hưởng mà ở đó đáp ứng cộng hưởng suy giảm 3 dB

Cụ thể với mạch cộng hưởng đơn, hệ số chất lượng được tính

𝑞 =

√𝐿𝐶

XLh và XCh là cảm kháng và dung kháng của các thành phần tương ứng

Hình 3.4 Minh họa về hệ số chất lượng của bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn

Bộ lọc có q lớn sẽ có có trở kháng thấp đối với một băng tần rộng hơn

Thường trong thiết kế các STF, q được lấy từ 20-80

c Một số yếu tố khác cần cân nhắc khi lựa chọn thành phần cảm và dung

- Tụ điện: Với tụ điện, theo IEEE 18, các giá trị tối đa cho phép như sau:

Bảng 3.1 Giá trị vận hành tối đa cho phép của tụ điện

Điện áp hiệu dụng, bao gồm cả các thành phần hài 120%

Công suất phản kháng có thể bị vượt thiết kế dưới tác dụng của hài, tỷ lệ với bình phương của tỷ số áp hiệu dụng không méo và có méo

Với STF, áp trên tụ được được diễn đạt tăng lên theo bậc của hài:

𝑈𝐶 = ℎ

2

ℎ2− 1𝑈𝐻𝑇 (𝐼𝐼𝐼 21) Công suất phản kháng hiệu quả của tụ:

𝑄𝐶 = (𝑈𝐻𝑇

𝑈𝐶 )

2

𝑄𝐶𝑅 (𝐼𝐼𝐼 22) Trong đó UHT là điện áp dây hệ thống, QCR là công suất phản kháng định mức của tụ Với

sự có mặt của cuộn kháng, công suất phản kháng hiệu quả của STF được tính theo công thức:

𝑄𝐹 = 𝑈𝐶(𝑍𝐶 − 𝑍𝐿) (𝐼𝐼𝐼 23)

- Cuộn kháng: cuộn kháng trong STF có thể là loại lõi sắt từ hoặc lõi không khí, với điện áp cao thì lõi không khí thường được sử dụng, loại này cho đáp ứng tuyến tính với tần số và dòng điện, tỷ số X/R tại 50 Hz thường lấy nhỏ hơn 150 để đảm bảo hệ số chất lượng

Cuộn kháng phải có khả năng chịu quá áp do các sự cố hoặc quá độ do đóng cắt Cấp cách điện của nó thường được thiết kế tương đương với cấp cách điện của MBA mà STF được nối vào

Ngoài giá trị điện kháng được tính toán ở đây, các giá trị khác cần được xác định và đưa vào yêu cầu chế tạo:

- Các yêu cầu về môi trường làm việc

3.2.3 Các bước thiết kế của STF

Quá trình thiết kế một hệ thống STF được thực hiện theo các bước:

KẾT THÚC

Khảo sát phổ hài do tải phi tuyến gây ra, so sánh với tiêu chuẩn, frequency scan.

Hình 3.5 Qui trình thiết kế bộ lọc STF

a Kiểm tra xác định các thông số hệ thống

Trước tiên khảo sát hệ thống, kiểm tra phát hiện ra sóng hài bằng các thiết bị đo chất lượng điện năng, với các thông số đầu vào như bậc của sóng hài ,sóng hài sinh ra ở tải phi tuyến,tải phi tuyến đó có công suất bao nhiêu,cấp điện áp của tải đang hoạt động,vị trí đặt thiểt bị lọc hài tối ưu nhất…

b Xác định dung lượng bù hiệu quả của STF:

Xuất phát từ mục tiêu thiết kế giá trị của tụ nhằm mục đích bù hệ số công suất (Power Factor - PF) như thông thường, để có PF=0,9-0,95 (hiện nay theo yêu cầu của EVN là PF>0,9)

𝑄𝐶 = 𝑃(𝑡𝑎𝑛𝑔𝜑2− 𝑡𝑎𝑛𝑔𝜑1 ) (𝐼𝐼𝐼 24) Với:

- 𝜑2 và 𝜑1 là góc lệch pha giữa dòng và áp tương ứng sau khi bù và trước khi bù

- Q: Công suất phản kháng yêu cầu của tụ (kVar)

- 𝑃 = 𝑈 𝐼 𝐶𝑜𝑠𝜑2 = 𝑆 𝐶𝑜𝑠𝜑2: Công suất tác dụng sau bù (kW),

Thực tế, trong một số trường hợp có phụ tải biến thiên, điện dung của STF chỉ được tính toán để tạo bù nền, phần còn lại sẽ do hệ thống bù chuyên dụng với nhiều cấp điện dung

được đóng ngắt tự động để đáp ứng với các biến thiên của hệ thống và giữ cho PF luôn nằm trong dải cho phép

c Xác định tần số cộng hưởng

Theo IEEE 1531-1993, tần số cộng hưởng của STF được thiết kế thấp hơn từ 3-15% của tần số hài cần lọc, việc này nhằm mục đích an toàn, tránh hiện tượng quá dòng do cộng hưởng song song

ℎ𝑠 = (0,85 − 0,97) ℎ (𝐼𝐼𝐼 25)

Để đảm bảo các yêu cầu về cộng hưởng hệ thống, trong bước khảo sát, người ta thường dùng phương pháp khảo sát đáp ứng tần số của hệ thống (Frequency Scan) nhằm mục đích phát hiện các điểm cộng hưởng

d Xác định trở kháng tổng của bộ lọc tại tần số cơ bản:

1993, với mục đích tránh quá dòng nguy hiểm do cộng hưởng song song trong hệ thống điện

Như vậy ở đây ta đã xác định được giá trị cảm kháng và dung kháng của phần cảm và dung tương ứng, có thể tính được giá trị điện cảm và điện dung tương ứng như sau:

𝐿 =𝑋𝐿(1)2𝜏𝑓 (𝐻) (𝐼𝐼𝐼 29)

2𝜏𝑓 𝑋𝐶(1) (𝜇𝐹) (𝐼𝐼𝐼 30)

f Kiểm tra hiệu quả của STF trên lưới

Việc kiểm tra hiệu quả lọc hài của STF trên hệ thống hiện nay thường sử dụng các mô đun tính toán đã có sẵn trong các phần mềm chuyên dụng (sẽ được mô phỏng ở chương 4), ở đây chỉ nêu sơ lược về tính toán hiệu quả lọc trên lưới phân phối

Xét các tham số đầu vào như sau:

- Điện kháng bậc 1 của hệ thống: XHT(1)

- Điện trở của hệ thống: RHT(1)

Dòng hài qua tải IT(h): giá trị này có được nhờ việc phân tích phổ hài trên tải, đây là việc khảo sát cần thiết phải thực hiện trước khi thiết kế lọc hài, nếu giá trị này đã nằm trong giới hạn cho phép thì không cần phải lọc hài nữa mà chỉ cần thiết kế bù hệ số công suất là

đủ

Xác định dòng hiệu dụng qua STF tại tần số cơ bản:

𝐼𝐹(1) = 𝑈𝑆

𝑋𝐶(1)− 𝑋𝐿(1) (𝐼𝐼𝐼 31) Nếu nối hình sao: 𝐼𝐹 = 𝑈𝐿−𝑁

𝑋𝐶(1)−𝑋𝐿(1) (𝐼𝐼𝐼 32) Xác định cảm kháng và dung kháng tại tần số hài thiết kế:

𝑋𝐿(ℎ) = ℎ𝑋𝐿(1) (𝐼𝐼𝐼 33)

𝑋𝐶(ℎ)=𝑋𝐶(1)

ℎ (𝐼𝐼𝐼 34) (vì XLF và XCF đã được tính theo hs ở trên nên trong công thức này ta dùng h mà không đưa hệ số an toàn vào nữa)

Mạch tương đương của STF trong hệ thống phân phối và dòng hài được biểu diễn ở hình sau:

Hình 3.6 Mạch tương đương dùng để tính toán hiệu quả lọc hài của STF

Phần điện trở và phần điện kháng của hệ thống trước STF tại tần số hài:

𝑅𝐻𝑇 (ℎ) = 𝑅𝐻𝑇 (1) (𝐼𝐼𝐼 35) (Điện trở không phụ thuộc vào tần số)

𝑋𝐻𝑇 (ℎ) = ℎ 𝑋𝐻𝑇(1) (𝐼𝐼𝐼 36) (bỏ qua các phần tử phi tuyến, điện kháng của hệ thống tỷ lệ với tần số)

Tổng trở của hệ thống:

𝑍𝐻𝑇(ℎ) = √𝑅𝐻𝑇(ℎ)2 + 𝑋𝐻𝑇(ℎ)2 (𝐼𝐼𝐼 37) Dựa trên các giá trị điện kháng và dòng hài tổng IT(h) đã biết, ta có thể tính được phân bố dòng hài trên bộ lọc và trên phụ tải:

𝑍𝐻𝑇(ℎ)+ (𝑋𝐿(ℎ)− 𝑋𝐶(ℎ)) 𝐼𝑇(ℎ) (𝐼𝐼𝐼 38)

Thực ra về mặt lý thuyết, nếu STF được thiết kế với hs = h thì điện kháng của cảm và dung ở tần số hài sẽ bằng nhau, và toàn bộ dòng hài – về lý thuyết – sẽ chảy qua STF, nhưng vì ở đây ta có sử dụng hệ số an toàn nên chỉ 1 phần dòng này chảy qua STF, phần còn lại vẫn chảy qua tải và hệ thống phân phối (thứ cấp máy biến áp phân phối)

Ta có dòng hài qua tải sau khi đã rẽ qua STF:

𝐼𝑇𝐻 = 𝐼𝑇(ℎ)− 𝐼𝐹(ℎ) (𝐼𝐼𝐼 39) Dòng điện trên thiết bị (hoặc đoạn mạch phân phối) được bảo vệ bởi STF:

Q1 được hiệu chỉnh

Một số trường hợp cần phải sử dụng kết hợp một số bộ lọc hài để lọc nhiều hơn một bậc hài mới đạt yêu cầu về tổng độ méo dạng dòng và áp

g Kiểm tra lại điều kiện làm việc của bộ tụ theo IEEE18

Điện áp hiệu dụng và điện áp đỉnh trên tụ không được vượt quá 110% và 120%

𝑈𝐶ℎ𝑑 = √𝑈𝐶𝑓2 + 𝑈𝐶ℎ2 (𝐼𝐼𝐼 42)

𝑈𝐶đ = √2(𝑈𝐶𝑓 + 𝑈𝐶ℎ) (𝐼𝐼𝐼 43) Với điện áp trên tụ tại tần số cơ bản:

𝑈𝐶𝑓 = 𝑋𝐶𝑓 𝐼𝐶𝑓 (𝐼𝐼𝐼 44) Dòng qua tụ được tính theo áp pha tối đa (5% lớn hơn mức danh định để tính tới khả năng điều chỉnh điện áp trong hệ thống):