Nghiên cứu lọc tích cực trong mạng điện phân phối có xét đến điều kiện điện áp không đối xứng

Trong số đó phải kể đến các loại lò điện, các bể mạ điện, bể mạ…Mục tiêu đề ra nhằm đạt được hiệu quả cao nhất là lọc bỏ sóng hài ngay tại nơi phát sinh, để thực hiện điều này lại có nhi

Trang 1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ

XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN ĐIỆN ÁP KHÔNG ĐỐI XỨNG

Họ và tên học viên: Đỗ Văn Bảy Chuyên ngành: Kỹ Thuật điều khiển và Tự động hóa Người hướng dẫn khoa học:PGS- TS Ngô Đức Minh

THÁI NGUYÊN, NĂM 2017

Trang 2

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG 3

Chương 1 8

TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 8

1.1 Tổng quan về sóng hài 8

1.1.1 Giới thiệu chung 8

1.1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện 12

1.1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao 18

1.2 Tổng quan về công suất phản kháng 21

1.2.2 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng 22

1.3 Kết luận chương 1 23

Chương 2 24

CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 24

2.1 Khái niệm lọc sóng hài 24

2.2 Các phương pháp lọc sóng hài 24

2.2.1 Bộ lọc thụ động 24

2.2.2 Bộ lọc chủ động 26

2.3 Kết luận 31

Chương 3 32

LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP 32

3.1 Mô hình hệ thống 32

3.2 Tải phi tuyến 33

3.3 Lọc tích cực AF 36

3.4 Các phương pháp điều khiển lọc AF 39

3.4.1 Cấu trúc hệ điều khiển 39

3.4.2 Các phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực 41

3.5 Kết luận 50

Chương 4 51

THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO TẢI PHI TUYẾN 51

4.1 Phân tích ảnh hưởng đến lưới điện của tải phi tuyến dạng bể mạ 51

4.1.2 Phân tích ảnh hưởng đến lưới của phụ tải bể mạ 54

Trang 3

4.1.3 Kết quả mô phỏng 60

4.2 Xây dựng cấu trúc mạch lọc cho nguồn bể mạ 64

4.2.1 Xác định giá trị điện áp một chiều của nghịch lưu 65

4.2.2 Xác định giá trị tụ điện C 65

4.2.3 Xác định giá trị điện cảm L 66

4.2.4 Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển 68

4.2.5 Khâu tạo xung cho bộ nghịch lưu 68

4.3 Mô phỏng hoạt động của bộ AF lọc với nguồn bể mạ 72

4.3.1 Trường hợp điện áp lưới tại điểm kết nối là đối xứng 72

4.3.2 Trường hợp điện áp tại điểm nối giữa mạch lọc và lưới là không đối xứng 79

4.3.3 Nhận xét 83

4.4 Kết luận 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

Trang 4

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

Hình 1 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng 8

Hình 1 2 Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3 8

Hình 1 3 Phân tích F n thành a n và b n 10

Hình 1 4 Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha 11

Hình 1 5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha 13

Hình 1 6 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển 13

Hình 1 7 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha 14

Hình 1 8 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 14

Hình 1 9 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 14

Hình 1 10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 15

Hình 1 11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 15

Hình 1 12 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi  = 30 0 16

Hình 1 16 Quan hệ giưa các thành phần công suất trên đồ thị vectơ 21

Bảng 1 1 Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit) 20

Bảng 1 2 Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current Distortion Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV) 20

Bảng 1 3 IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc)……… 20

Hình 2 1 Bộ lọc RC 25

Hình 2 2 Bộ lọc LC 25

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lưới kiểu song song 27

Hình 2 4 Mô tả nguyên lý hoạt động của AF song song 28

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp 29

Hình 2 6 Nguyên lý hoạt động của AFs 29

Hình 2 7 Bộ lọc kiểu lai 30

Hình 2 8 Bộ lọc UPQC 30

Hình 3 1 Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến 32

Hình 3 2 Cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển 33

Hình 3 3 Cấu trúc mô phỏng tải chỉnh lưu cầu 3 pha 33

Hình 3 4 Trị hiệu dụng điện áp lưới trước chỉnh lưu khi  = 15 0 34

Hình 3 5 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 15độ 34

Hình 3 6 Phân tích sóng hài dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 15 0 35

Hình 3 7 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 50độ 35

Hình 3 8 Phân tích sóng hài dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 50độ 36

Hình 3 9 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực 36

Hình 3 10 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM 37

Hình 3 11 Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM 38

Hình 3 12 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM 38

Hình 3 13 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM 39

Hình 3 14 Cấu trúc điêu khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực 40

Trang 5

Hình 3 15 Cấu trúc điêu khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích

cực 40

Hình 3 16 Phương pháp FFT 42

Hình 3 17 Thuật toán xác định dòng bù trong khung tọa độ dq 43

Hình 3 18 Thuật toán lựa chọn các sóng hài cần bù trong hệ dq 44

Hình 3 19 Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời 47

Hình 3 20 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực 49

Hình 4 1 Sơ đồ hệ thống bể mạ 52

Hình 4 2 Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng 52

Hình 4 3 Giải pháp bù sát cục bộ phụ tải 53

Hình 4 4 Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ 54

Hình 4 5 Mô hình hệ thống điêu khiển bể mạ 55

Hình 4 6 Nguồn xoay chiều 3 pha 55

Hình 4 7 Mô hình mạch lực của tải phi tuyến 56

Hình 4 8 Mô hình khâu điều áp xoay chiều 3 pha 56

Hình 4 9 Mô hình tải bể mạ 57

Hình 4 10 Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ 57

Hình 4 11 Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải 58

Hình 4 12 Khối tính toán công suất 58

Hình 4 13 Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha 59

Hình 4 14 Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha 59

Hình 4 15 Mô hình khối hiển thi tham số 59

Hình 4 16 Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải 60

Hình 4 17 Dòng điện phía nguồn cấp cho tải 60

Hình 4 18 Dòng điện nguồn pha A 60

Hình 4 19 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=8 (V) 61

Hình 4 22 Thành phần điều hòa bậc 5 của dòng điện nguồn pha A 63

Hình 4 23 Thành phần điều hòa bậc 7 của dòng điện nguồn pha A 63

Hình 4 24 Hệ số công suất khi chưa có mạch lọc 64

Hình 4 25 Dòng điện và điện áp nguồn pha A 64

Hình 4 26 Sơ đồ nguyên lý mạch lực có sử dụng bù 64

Hình 4 27 Mô hình khối tính toán dòng bù chuẩn 68

Hình 4 28 Khối chuyển điện áp trong hệ abc sang αβ 69

Hình 4 29 Khối chuyển dòng trong hệ abc sang αβ 69

Hình 4 30 Khối tính toán công suất p,q 69

Hình 4 31 Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ 70

Hình 4 32 Khối tính toán công suất bù cung cáp bởi mạch lọc 70

Hình 4 33 Khối tính toán dòng bù trong hệ αβ 70

Hình 4 34 Khối tính toán dòng bù trong hệ abc 71

Hình 4 35 Khối phát xung cho bộ nghịch lưu 71

Hình 4 36 Mô hình mô phỏng AF cho tải bể mạ 72

Hình 4 37 Điện áp nguồn 73

Hình 4 38 Dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động 73

Hình 4 39 Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 73

Trang 6

Hình 4 40 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=8 (V) khi mạch lọc tác động 74

Hình 4 41 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=16 (V) khi mạch lọc tác động 74

Hình 4 42 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=22 (V) khi mạch lọc tác động 74 Hình 4 43 Thành phần sóng hài bậc 5 trước và sau khi mạch lọc tác động 76

Hình 4 44 Thành phần sóng hài bậc 7 trước và sau khi mạch lọc tác động 76

Hình 4 45 Công suất nguồn trước và sau khi mạch lọc tác động 76

Hình 4 46 Công suất mạch lọc trước và sau khi tác động 77

Hình 4 47 Hệ số công suất sau khi mạch lọc tác động 77

Hình 4 48 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 77

Hình 4 49 Phân tích FFT Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 78

Hình 4 50 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 78

Hình 4 51 Điện áp nguồn không đối xứng 79

Hình 4 52 Dòng điện nguồn trong trường hợp điện áp nguồn không đối xứng 79

Hình 4 53 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A 79

Hình 4 54 Cấu trúc mạch PLL 80

Hình 4 55 Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù 80

Hình 4 56 Dòng điện nguồn sau khi lọc dùng PLL 81

Hình 4 57 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A 81

Hình 4 58 Nối ghép tụ của mạch lọc 83

Bảng 4 1 Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn 62

Bảng 4 2 Biến thiên dòng điện với các thành phần sóng hài 67

Bảng 4 3 Giá trị các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn……… 75

Trang 7

LỜI NÓI ĐẦU

Trong hệ thống điện, các nhà máy, xí nghiệp, liên doanh công nghiệp đã trở thành những khách hàng chính (gọi là phụ tải công nghiệp) tiêu thụ phần lớn lượng điện năng trong hệ thống điện Các hoạt động sản xuất của phụ tải công nghiệp đòi hỏi chất lượng điện năng cung cấp cao và đạt các chuẩn quốc tế Đặc biệt, trong đó một chỉ tiêu quan trọng là tiêu chuẩn về sóng hài – Được đề cập lần đầu tiên tại Việt Nam năm 2010 [1] Trước đó, các tài liệu giảngdạy ở Việt nam chưa đề cập tiêu chuẩn sóng hài trong các chỉ tiêu đánh giá điện năng Có rất nhiều nguyên nhân phát sinh sóng hài trong hệ thống điện, trong khi đó sóng hài trên lưới điện phân phối lại phần lớn do các thiết bị sản xuất công nghiệp gây nên Trong số đó phải kể đến các loại lò điện, các bể mạ điện, bể mạ…Mục tiêu đề ra nhằm đạt được hiệu quả cao nhất là lọc bỏ sóng hài ngay tại nơi phát sinh, để thực hiện điều này lại có nhiều giải pháp và phương thức thực hiện khác nhau [2-12]: Dùng các bộ lọc thụ động kiểu LC có ưu điểm là đơn giản rễ lắp đạt và vận hành nhưng kết quả không hoàn hảo: tần số lọc được là cố định phụ thuộc vào thông số thiết bị đã thiết kế lắp đặt, tổn hao mất mát năng lượng nội bộ lớn Thông thường các bộ lọc LC được thiết kế cho lọc các hài bậc thấp 3, 5, 7 để lại trên lưới các các hài bậc cao

mà trong nhiều trường hợp các hài bậc cao trên 7 lại chiếm tỷ lệ đáng kể và tác hại của hài bậc cao đó cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của hệ thống điện gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như gây sai số cho các thiết bị đo đếm trong các hệ thống bảo vệ, đo lường tự động hóa Giải pháp khác được đề xuất đó là sử dụng bộ lọc tích cực Bộ lọc tích cực (AF), thực chất là một máy phát bù sóng hài (thiết bị bù) có cấu trúc cơ bản như một nghịch lưu PWM (đôi khi cũng gọi là chỉnh lưu tích cực) [3] Đối với các sóng hài bậc cao AF thực hiện bù không, nghĩa là phổ của các sóng hài có trên lưới và phổ của sóng hài do AF phát vào lưới có phép cộng bằng không Theo nguyên tắc này AF có thể được thiết kế lọc cho một số hài cố định hoặc có thể lọc cho cả phổ sóng hài rất rộng và

từ đây hình thành rất nhiều ý tưởng khoa học cho mỗi hướng nghiên cứu về AF Một cách hiểu thứ hai về chức năng bù của AF là bù thiếu, bù thiếu được áp dụng cho việc

bù công suất phản kháng thành phần sóng hài cơ bản Nghĩa là AF sẽ thực hiện chức năng phát công suất phản kháng vào lưới nhằm mục đích nâng cao điện áp tại điểm kết nối Tất nhiên, AF cũng có thể hấp thụ công suất phản kháng để tránh quá áp khi cần thiết nhưng việc phân tích vấn đề này sẽ vượt quá phạm vi nghiên cứu của đề tài Trong khuôn khổ luận văn sẽ nghiên cứu bộ lọc tích cực với hai chức năng đó là lọc sóng hài

bậc cao và bù công suất phản kháng Nội dung được trình bày trong bốn chương: Với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Ngô Đức Minh cùng với sự cố

gắng của bản thân em đã hoàn thành luận văn này Tuy nhiên, không tránh khỏi những thiếu sót, em kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và đồng nghiệp

Trang 8

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Tổng quan về sóng hài

1.1.1 Giới thiệu chung

Hoạt động của hệ thống điện đó là một quá trình cân bằng giữa tổng công suất phát

và công suất thu Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủ đạo là các nhà máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần số cơ bản 50Hz (hoặc (60) Hz đối với một số nước như Mỹ, Nhật ) Ngược lại, thu công suất thuộc về phía hộ tiêu thụ hay còn gọi là tải với nhiều loại hình khác nhau là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các thành phần không sin trong hệ thống điện Nói một cách khác là các sóng hài bậc cao (bội số của tần số cơ bản) được sinh ra ngoài mong muốn

Theo phân tích Fourier, một sóng dòng điện hay điện áp hình sin khi bị méo dạng tương đương với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, còn lại là các thành phần sóng hài bậc cao Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ thuộc vào độ méo dạng so với ban đầu Hiện nay các sóng hài bậc cao được nhiều người đặt cho tên gọi là sóng hài

Hình 1 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng

Trang 9

Trong hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện hay điện áp các pha bị méo dạng và các sóng hài bậc lẻ có thể phân biệt thành các thành thành phần thứ tự thuận, nghịch,

Trang 10

Một sóng hài với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) hay (rad/s) có thể phân tích chuỗi Furier được như sau:

Từ (1.1) có thể viết thành:

Nếu quy ước:

Trang 11

(1.3)

Ví dụ: Dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha có thể được phân tích thành phổ các thành phần sóng hài bằng FFT trong Matlab như hình 1.4

Hình 1 4 Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha

Theo thông tư 32 /2010/TT-BCT Của Bộ Công thương đã áp dụng tiêu chuẩn sóng hài 519 của IEEE cho tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện năng của Việt nam Đó là hệ

số méo dạng THD:

(1.4)

Trong đó:

X1 là biên độ thành phần cơ bản

Xn là biên độ thành phần điều hòa bậc n

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

XTHD=

X





Trang 12

U1 là biên độ thành phần điện áp cơ bản

Un là biên độ thành phần áp điều hòa bậc n

1.1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện

Các sóng hài trong công nghiệp chủ yếu được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến Các phần tử phi tuyến điển hình là quộn dây của máy biến áp, động cơ làm việc ở chế

độ bão hòa mạch từ, các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, máy hàn, các hệ truyền động điện…

1 Máy biến áp

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

2 Động cơ

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

2 n n=2 2 1

ITHD=

I





2 n n=2 2 1

UTHD=

U





Trang 13

3 Thiết bị điện tử công suất

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

Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài sinh ra khác nhau Các mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản,

rẻ, chắc chắn nhưng sản sinh nhiều sóng hài Để giảm bớt sóng hài có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lai với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung

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

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

Hình 1 5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha

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

Hình 1 6Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển

Trang 14

Hình 1 7 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha

- Chỉnh lưu cầu ba pha: các van bán dẫn có thể là GTO, diode, thyristor…

Trường hợp chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:

Hình 1 8 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

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

Hình 1 9 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Trang 15

Hình 1 10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn THD=28,52

% Các thành phần sóng hài này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra Trong

đó các thành phần sóng hài bậc 5, 7, 11 là chủ yếu

Đối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển, Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu

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

Hình 1 11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

Ứng ứng góc điều khiển là  = 300 dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.12

Trang 16

Hình 1 12 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi  = 30 0

Trang 17

Trang 18

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

1.1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao

Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách điện, làm tăng

Trang 19

tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị

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

- Giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện

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

- Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, các sóng hài bậc cao còn có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ

- Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ ( tác động sai): các sóng hài bậc cao có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nháy, tác động ngược, có thể làm méo dạng điện áp, dòng điện dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch

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

Trang 20

- Gây ảnh hưởng tới các thiết bị viễn thông : các sóng hài bậc cao có thể gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng

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

Bảng 1 1 Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit)

(IEEE std 519, Recommend Practices for Utilities)

Điện áp tại điểm nối chung

(Point Common Couping

PCC)

Nhiễu điện áp từng loại sóng hài (%)=

Nhiễu điện áp tổng cộng các loại sóng hài THD

(%)

Bảng 1 2 Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current Distortion

Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV) (IEEE std 519, Recommend Practices for Individual Comsumer)

Nhiễu dòng điện tối đa(% của Itải )(max.Harmonic Current Distortion)

UU

SC

Trang 21

Bảng 1 3 IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc) (Cho thiết bị trên 75A dòng đầu vào mỗi pha)

Bậc sóng

hài (n)

Dòng điều hoà có thể chấp nhận được (%)

Bậc sóng hài (n)

Dòng điều hoà có thể chấp nhận được (%)

1.2 Tổng quan về công suất phản kháng

1.2.1 Giới thiệu chung

Công suất biểu kiến S trong mạng điện xoay chiều gồm hai thành phần có liên hệ với nhau qua biểu thức (1.2) và đồ thị vectơ biểu diễn trên hình 1.16:

- Q là công suất để từ hoá và tạo ra từ thông tản trong các máy điện xoay chiều,

nó không sinh công Quá trình chao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện

và hộ dùng điện là một quá trình dao động Mỗi chu kì của dòng điện, Q đổi chiều

4 lần, cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không đòi hỏi tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp kéo máy phát điện Mặt khác công suất phản kháng cung cấp cho các hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn điện Vì vậy, để tránh truyền tải một lượng Q khá lớn, người ta đặt gần hộ tiêu thụ điện các thiết bị phát

ra công suất phản kháng (tụ điện tĩnh, máy bù đồng bộ) để cung cấp trực tiếp cho phụ tải, làm như vậy được gọi là bù công suất phản kháng Khi có bù công suất phản

n 1

II

n 1

II

Trang 22

kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch nhỏ đi tương ứng cos của mạng được nâng lên

Giữa P, Q, cos có quan hệ với nhau theo biểu thức tính góc :

P

Q arctg

1.2.2 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng

 Giảm tổn thất công suất P trong mạng điện:

2 2

P P R U

Q R U

P R U

Q P



Khi giảm được Q truyền tải trên đường dây thì sẽ giảm được thành phần tổn thất công suất do công suất phản kháng gây ra, P(Q)

 Giảm được tổn thất điện áp U trong mạng:

Biểu thức tính tổn thất điện áp được tính như sau:

) Q ( ) P

U X U

Q R U

P U

QX PR



khi giảm được Q truyền tải trên đường dây (trong mạng) sẽ giảm được thành phần tổn thất điện áp do công suất phản kháng gây nên, U(Q)

 Tăng được khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Trong khi đó dòng điện chạy trên đường dây và máy biến áp được tính như sau:

U 3

Q P U 3

S I

Trang 23

giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải truyền tải Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây hay máy biến áp, nếu cos của mạng được nâng cao thì khả năng truyền tải của đường dây hay máy biến áp sẽ được tăng lên

1.3 Kết luận chương 1

Như vậy để cải thiện chất lượng điện năng, đề tài chọn hướng nghiên cứu nhằm loại trừ các sóng hài và bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối, ngay tại các xí nghiệp công nghiệp là nơi xa nguồn cung cấp đồng thời cũng là nơi có nhiều nguồn phát sinh sóng hài sẽ mang lại hiệu quả cao nhất cho giải pháp Trong phần tiếp theo sẽ nghiên cứu xây dựng một cấu trúc thực hiện được cả hai chức năng: lọc sóng hài

và bù công suất phản kháng tại điểm kết nối

Trang 24

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 2.1 Khái niệm lọc sóng hài

Nguyên tắc làm việc của một bộ lọc sóng hài lý tưởng đó là là tạo ra được một tổng trở có giá trị vô cùng nhỏ đối với tần số cần lọc, đồng thời lại có giá trị vô cùng lớn với tần số hữu ích Tuy nhiên trong thực tế bộ lọc có thể được thiết kế có dải thông hẹp hay rộng khác nhau tùy theo yêu cầu cụ thể Có nhiều cấu trúc và nguyên lý làm việc hay điều khiển để đạt được mục tiêu này

Các phần tử chính tham gia cấu tạo nên bộ lọc thụ động bao gồm các phần tử tĩnh

R, L, C Tùy theo số phần tử và cách đấu nối sẽ có được các cấu trúc bộ lọc khác nhau, dải thông theo yêu cầu

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

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

- Khi tụ điện đấu hình tam giác có dung lượng tăng lên 3 lần, lọc được sóng hài cả điện áp dây và điện áp pha và đặc biệt trong mạng có trung tính thì có thể lọc được cả thành phần thứ tự không do chuyển mạch van bán dẫn sinh ra

Trang 26

- Gây nhiễu cho các thiết bị thông tin

- Có thể xuất hiện hiện tượng cộng hưởng không mong muốn làm tăng dòng và

Trang 27

2.2.2.1 Phân loại lọc tích cực theo cách kết nối lưới

 AF song song:

AF song song có sơ đồ kết nối như hình 2.2 Về cấu trúc cơ bản như một bộ biến đổi nguồn áp (VSC) gồm những phần tử chính: Tụ điện Cdc đại diện cho khối một; một

bộ biến đổi công suất 3 pha có điện cảm lọc Lf

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lưới kiểu song song

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: AF hoạt động như một nguồn ba pha bơm lên đường dây dòng iAF ngược pha với dòng sóng hài tổng iload do tải gây nên và sẽ triệt tiêu các sóng hài này, đảm bảo cho dòng điện lưới iline có dạng sin chuẩn (không bị méo dạng)

Ví dụ: Xét mạng điện có tải công nghiệp sử dụng bộ biến đổi làm việc với các van thyristor:

- Dòng tải iload có dạng sóng điều hòa vuông góc, hình 2.3a

- AF sẽ đo và tính toán rồi phát lên lưới dòng điều hòa iAF, hình 2.3b

- Kết quả dòng iline trên lưới phía nguồn có dạng sin chuẩn, hình 2.3c

Trang 28

Hình 2 4 Mô tả nguyên lý hoạt động của AF song song

Dòng điện tải có thể được khai triển thành tổng của một thành phần dòng điện cơ bản và một thành phần sóng điều hòa (chứa các hài bậc cao) theo biểu thức sau:

load load h load

 



Trang 29

Kết quả, các sóng hài do tải gây nên đã được AF loại khử hết Hay hiểu một cách khác là: tại điểm kết nối lưới, các sóng hài do tải phát sinh được đáp ứng hoàn toàn bởi phía AF, còn lại thành phần sóng dòng điện cơ bản được đáp ứng bở phía nguồn (lưới)

load load load

 AF nối tiếp (AFs)

AFs có cấu hình cũng giống như AF Sự khác nhau ở cách đấu nối với đường dây AFs đấu nối tiếp vào đường dây qua máy biến áp như sơ đồ hình 2.4 Trong đó, cuộn dây thứ cấp máy biến đóng vai trò cuộn cảm của bộ biến đổi 3 pha Đó là lưu ý rất quan trọng cho việc tính toán thiết kế máy biến áp trong trường hợp này

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: AFs đóng vai trò tương tực như AF, điều khác nhau ở chỗ là điểm kết nối không liên hệ trực tiếp về điện mà thông qua liên hệ điện từ bởi máy biến áp đã mở rộng phạm vi áp dụng lọc tích cực cho các lưới điện áp cao Tại điểm kết nối VAF, AFs tạo ra tổng trở đường dây tương đương Nếu nhìn từ phía tải, tổng trở này bằng không với sóng cơ bản và bằng vô cùng với các sóng hài Như vậy, giữa nguồn và tải có sự cách ly về sóng hài Điều này có thể được mính họa bằng các sơ đồ thay thến trên hình 2.5

a)Mạch điên thay thế 1 pha, b) Mạch điện với sóng cơ bản,c) Mạch điện tần cao

Trang 30

 bộ lọc kiểu lai (Hybrid Filter)

Bộ lọc kiểu lai là sự kết hợp của AF hoặc AFs với bộ lọc thụ động nhằm giảm chi phí đầu tư ban đầu và cải thiện hiệu quả của các bộ lọc động Khi đó, lọc thụ động được thiết kế cho lọc các sóng hài cố định, bậc thấp (công suất lớn), lọc tích cực được thiết

kế cho lọc các sóng hài động Mô hình này rất thích hợp cho các tải phi tuyến công suất lớn có điều khiển Sơ đồ nguyên lý như hình 2.6

Nhận xét

Như vậy chất lượng điện năng, tổn thất công suất, hệ số công suất cosφ trong mạng điện truyền tải và trong mạng điện phân phối đã được cải thiện đáng kể nhờ các giải pháp nêu trên Tuy nhiên nhờ sự phát triển ngành điện tử công suất và các thế hệ vi xử

Trang 31

lý tốc độ cao nên giải pháp triệt tiêu sóng hài và bù công suất phản kháng mang lại hiệu quả cao nhất và đặc biệt bộ lọc động song song (AF) cho chất lượng dòng lưới chỉ có thành phần cơ bản do đó sẽ là đối tượng chính được nghiên cứu trong các phần tiếp theo Dựa trên nền tảng là các bộ biến đổi điện tử công suất lớn do đó bộ lọc chủ động

có nguyên lý làm việc khác bộ lọc thụ động cũng như có nhiều ưu điểm và tính năng hơn Ngày nay, lọc tích cực là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều nhất trong lĩnh vực lọc sóng hài bậc cao

2.3 Kết luận

Phần trên đã phân tích về nguyên nhân phát sinh và tác hại của sóng hài trong hoạt động của quá trình sản xuất và tiêu thụ điện; Mô tả khái quát các mô hình lọc sóng hài Đặc biệt chỉ ra các ưu điểm của bộ lọc tích cực và tiềm năng của nó Trong tương lai, lọc tích cực sẽ được phát triển và ứng dụng rộng rãi bởi một số lý do chính sau đây:

- Các nguồn phát sinh sóng hài là không thể tránh khỏi, thậm chí ngày càng nhiều

ít nhất là trong nhiều năm nữa, khi mà các tiến bộ về bộ biến đổi công suất trong công nghiệp chưa được áp dụng (hoặc thay thế) một cách triệt để những tiến bộ mới về cấu trúc, linh kiện bán dẫn và kỹ thuật điều khiển

- Các mô hình lọc tích cực được áp dụng nhanh những tiến bộ về kỹ thuật và linh kiện điện tử công suất

- Cùng một mục tiêu làm sạch lưới điện không bị ô nhiễm sóng hài thì việc đầu tư cho lọc có hiệu quả cao hơn là thay thế hoặc áp dụng các bộ biến đổi công suất chất lượng cao (thế hệ mới)

- Từ một lọc tích cực, có thể phát triển thêm chức năng bù công suất phản kháng

mà không hề phải bổ sung thiết bị mạch lực (đắt tiền) trong khi chỉ cần tích hợp thêm cho hệ điều khiển khối bù CSPK (rẻ tiền) là có được tổ hợp thiết bị lọc và bù CSPK Hai chức năng trên cùng một thiết bị có thể hoạt động đồng thời và độc lập nhau sẽ mạng lại một hiệu quả kinh tế và kỹ thuật rất lớn có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều hình thức mạng điện khác nhau trong hệ thống điện

Nhiệm vụ tiếp theo nghiên cứu xây dựng một mô hình lọc tích cực áp dụng cho một đối tượng cụ thể trong mạng điện phân phối mà nguồn phát sinh sóng hài là các tải phi tuyến công suất lớn trong xí nghiệp công nghiệp

Trang 32

Chương 3 LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP 3.1 Mô hình hệ thống

Trong hoạt động sản xuất của xí nghiệp công nghiệp có thể chia thành hai loại phụ tải tiêu thụ điện là tải tuyến tính và tải phi tuyến Mô hình có thể được biểu diễn thông qua sơ đồ thay thế đơn giản hình 3.1

Tải tuyến tính

Hình 3 1 Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến

- Tải tuyến tính được xem là loại tải mà chỉ tiêu thụ năng lượng điện thông qua dòng và áp có dạng sin chuẩn Ví dụ: các lò điện trở, các động cơ xoay chiều 3 pha làm việc tự nhiên không có điều khiển

- Tải phi tuyến là loại tải mà năng lượng điện tiêu thụ có dạng không sin hoặc tiêu thụ gián tiếp thông qua bộ biến đổi làm cho dòng và áp phía lưới không sin Ví dụ: các động cơ có điều khiển qua bộ biến đổi, các thiết bị chỉnh lưu công suất cho bể mạ, các

lò tần số, lò hồ quang, máy hàn, máy biến áp có mạch tử bão hòa cục bộ, các đèn huỳnh quang, đèn cáo áp…

Ngày nay, trong mọi hoạt động đời sống của con người nói chung và trong sản xuất công nghiệp nói riêng hầu hết thiết bị làm việc đều qua bộ biến đổi Vì thế, lưới điện luôn bị ô nhiễm sóng hài Trong đó, gây ô nhiễm mạnh nhất phải kể đến các tải chỉnh lưu công suất lớn

Trang 33

3.2 Tải phi tuyến

Điển hình cho tải phi tuyến ta nghiên cứu một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển Trong hình 3.1, tải phi tuyến được xem như một cầu chỉnh lưu có điều khiển, sơ

đồ như hình 3.2

Hình 3 2 Cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển

Đối với bộ cầu chỉnh lưu 3 pha ta không bàn luận thêm nữa, vì được coi như đã quá quen thuộc cả trong thực tế cũng như lý thuyết Tuy nhiên, để minh họa trong trường hợp này ta có thể mô phỏng hình ảnh của dòng điện chỉnh lưu ứng với các góc mở 

khác nhau và phân tích sóng hài gây ô nhiễm dòng điện lưới phía trước chỉnh lưu Cấu trúc mô phỏng bằng Matlab như hình 3.3

Hình 3 3 Cấu trúc mô phỏng tải chỉnh lưu cầu 3 pha

Việc điều chỉnh công suất hay dòng điện tải thông qua điều chỉnh góc mở  (anfa) điều khiển các van T Ví dụ:

Ứng với góc mở  = 150 , trị hiệu dụng điện áp và dòng điện lưới trước chỉnh lưu như hình 3.4, hình 3.5 và phân tích sóng hài như hình 3.6

Trang 34

Hình 3 4 Trị hiệu dụng điện áp lưới trước chỉnh lưu khi  = 15 0

Hình 3 5 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 15độ

0 50

Trang 35

Hình 3 6 Phân tích sóng hài dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 15 0

Ứng với góc mở  = 500 , trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu như hình 3.7 và phân tích sóng hài như hình 3.8

Hình 3 7 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 50độ

Trang 36

Hình 3 8 Phân tích sóng hài dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 50 0

Qua phân tích và các kết quả mô phỏng cho thấy, các tải chỉnh lưu có thê gây mức

độ ô nhiễm sóng hài rất lớn, hơn nữa phổ sóng hài không cố định do tính của chất tải có điều khiển Như vậy, lọc thụ động sẽ tỏ ra bất lực mà chỉ có lọc động mới có thể khắc phục được giải quyết được việc loại khử được hoàn toàn sóng hài

Trang 37

- Phần mạch lực, hiểu theo nghĩa đã phát biểu ở trên rằng AF là một máy phát sóng hài ngược thì đương nhiên AF có chức năng của một nghịch lưu 3 pha

- Phần điều khiển có khả năng phát hiện tức thời sự xuất hiện của sóng hài phát sinh trên lưới để tính toán và điều khiển nghịch lưu phát sóng hài ngược

Lịch sử ra đời các bộ nghịch lưu đã trải qua một chặng đường dài và ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển Đặc biệt, kể từ khi công nghệ FACTS (ra đời từ thập kỷ 70 của thế kỷ 20) lên ngôi điều khiển hệ thống điện, các thiết bị chỉnh lưu, nghịch lưu đóng vai trò chính trong các thiết bị bù trên lưới Với nguyên lý chỉnh lưu PWM (Pulse Width Modulation) một cầu 3 pha có thể thực hiện được cả hai chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu đã được chọn làm cấu hình mạch lực chính cho các bộ biến đổi công suất lớn Chính vậy, người ta thường gọi theo các tên khác nhau là chỉnh lưu PWM hay bộ biến đổi PWM để đơn giản ta gọi tắt là CL

Tiếp theo ta nghiên cứu nguyên lý làm việc của chỉnh lưu PWM, cấu trúc mạch lực được mô tả trên hình 3.9

Hình 3 10 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM

Trong đó:

- Cầu 3 pha gồm 6 van từ S1 đến S6 bán dẫn công suất, thường dùng loại IGBT,

- Tụ điện một chiều đại diện cho khối một chiều,

- L là điện cảm tính toán, R là điện trở của điện cảm và dây nối,

- uLa uLb uLc là giá trị điện áp pha tính tại điểm kết nối PCC

Từ hình 3.9, có thể chuyển sang sơ đồ thay thế một pha như hình 3.10

Trang 38

Hình 3 11 Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM

Trong đó:

- L, R như trên,

- uL là điện áp lưới tại điểm kết nối,

- uS là điện áp của bộ biến đổi được điều khiển từ DC-side

Rễ nhận thấy rằng chỉnh lưu PWM có cấu trúc phần cứng giống như bộ nghịch lưu nguồn áp VSC, uS phụ thuộc vào hệ số điều chế của VSC và điện áp trên tụ Điện cảm

L là một phần không thể thiếu của chỉnh lưu PWM, nó đóng vai trò như thành phần tích phân của hệ và một nguồn dòng để tạo đặc tính nâng của chỉnh lưu PWM Đây là điểm khác biệt căn bản với các chỉnh lưu thông thường Điện áp rơi trên điện cảm L là u1 chính

là hiệu giữa điện áp nguồn uL và điện áp của bộ biến đổi uS :

Với uL không đổi, do đó sẽ điều khiển được u1 thông qua điều khiển uS Từ việc điều khiển được u1 ta sẽ điều khiển được dòng điện iL chạy trên đường dây Biẻu thứ (3.10) có thể được diễn tả bằng đồ thị vector như hình 3.11

Hình 3 12 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM

Khi điều khiển iL trùng uL hoặc ngược với uL thì =1 thể hiện dưới đồ thị vecto như hình 3.12a,b:

Trang 39

3.4 Các phương pháp điều khiển lọc AF

3.4.1 Cấu trúc hệ điều khiển

Có hai cấu trúc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào cách mà dòng điện được đo

a) Phương pháp vòng hở

Phương pháp này dựa trên việc đo thành phần dòng điện phía tải từ đó tách ra thành phần sóng hài chứa trong dòng tải Cấu trúc điều khiển vòng hở cho chinh lưu PWM thực hiện chức năng mạch lọc tích cực:

Trang 40

Hình 3 14 Cấu trúc điêu khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực

Theo phương pháp này thì không có thông tin phản hồi về dòng điên trên lưới Tất

cả sai lệch trong hệ thống cả trong quá trình đo và điều khiển sẽ gây ra các sóng hài trên dòng điện lưới, các thành phần này là không xác định Cấu trúc điều khiển này có ưu điểm là ổn định nhưng yêu cầu số cảm biến đo dòng nhiều (4 cảm biến)

Cấu trúc điều khiển vòng kín cho chỉnh lưu PWM thực hiện chức năng mạch lọc tích cực:

Hình 3 15 Cấu trúc điêu khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực

PWM L

U S

PWM L

U S

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	2,23 MB