Nghiên cứu các giải pháp giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối huyện Châu Thành

Nghiên cứu các giải pháp giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối huyện Châu Thành Nghiên cứu các giải pháp giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối huyện Châu Thành Nghiên cứu các giải pháp giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối huyện Châu Thành Nghiên cứu các giải pháp giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối huyện Châu Thành

sóng hài cao nối vào lưới điện phân phối huyện Châu Thành, tỉnh An Giang

Trong mô hình mô phỏng bao gồm nguồn điện hình sin, tải phi tuyến, bộ lọc tích cực lọc sóng hài, trong bộ lọc tích cực được điều khiển dòng điện bù theo Logic

Tuy nhiên kết quả mô phỏng vẫn chưa làm cho hệ thống lưới điện của huyện Châu Thành, tỉnh An Giang có tổng sóng hài dòng điện đạt ngưỡng dưới 5 % theo tiêu chuẩn IEEE Do đó hướng phát triển của đề tài tiếp tục tìm thông số của bộ Mờ

để điều khiển bộ lọc làm việc tốt hơn nữa đảm chất lượng điện năng trong giới hạn yêu cầu của tiêu chuẩn IEEE

linear loads which generate the harmornic on distribution power line of Chau Thanh district, An Giang province

The advantage of Fuzzy Logic Control (FLC) algorithm are fast response, the quanlity of electrical is better than one which controled by the PI algorithm

The THD of power line current reduce from 23.99% to 10.19% when using Fuzzy logic control for harmonic filter It means that, the result of filter model showed the THD of Chau Thanh‟s power line have THD less than 12% which is meet the Vietnam stardard in electricity

However, the result of model don‟t meet the require of IEEE standard which the THD must to less than 5% Therefore the mention of this thesis is determind the parameters of the fuzzy rules so that the THD of power line is smallest or meet the IEEE standard about quanlity of electric

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

TÓM TẮT vi

ABSTRACT vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cần thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.6 Điểm mới của đề tài 2

1.7 Phạm vi ứng dụng 3

1.8 Nội dung đề tài 3

TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 4

CHƯƠNG 1 -1.1 Khái niệm về chất lượng điện năng 4

1.2 Sóng hài trong hệ thống điện 9

1.3 Phương pháp phân tích méo dạng sóng 20

1.4 Một số kết quả khảo sát hiện tượng sóng hài 30

1.5 Kết luận chương 1 35

MỘT SỐ BIỆN PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI 37

CHƯƠNG 2 -2.1 Giải pháp hạn chế sóng hài bằng tải thông minh [8] 37

2.2 Giải pháp hạn chế sóng hài bằng bộ lọc thụ động [9] 38

2.3 Giải pháp hạn chế sóng hài bằng bộ lọc tích cực 38

3.1 Tạo mô hình mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến không có bộ

lọc sóng hài: 46

3.2 Tạo mô hình mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc sóng hài điều khiển theo lý thuyết PI: 47

3.3 Tạo mô hình mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc sóng hài điều khiển theo lý thuyết FLC: 48

3.4 Mô phỏng ba mô hình trên 49

3.5 Ứng dụng thực tế trên một số phụ tải đấu nối vào lưới điện phân phối huyện Châu Thành 51

3.6 Kết luận chương 53

KẾT LUẬN 55

CHƯƠNG 4 -4.1 Những kết quả đạt được 55

4.2 Hướng phát triển của đề tài 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤC LỤC I: CÀI ĐẶT THÔNG SỐ CHO CÁC MÔ HÌNH 59

PHỤC LỤC II: GIẢI THUẬT LOGIC MỜ (FUZZY LOGIC) 71

PHỤC LỤC III: GIẢI THUẬT VI TÍCH PHÂN (PID) 78

PHỤC LỤC IV: PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK 84

FLC: Bộ điều khiển Logic Mờ (Fuzzy Logic Controller)

PI: Điều khiển bằng giải thuật PI (Proportional Integral)

PWM: Điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation)

THD: Tổng độ méo dạng sóng hài (Total Harmonic Distortion) THDv: Tổng độ méo dạng sóng hài điện áp

THDi: Tổng độ méo dạng sóng hài dòng điện

CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG: Công suất phần kháng

APF: Bộ lọc sóng hài tích cực (Active Power Filter)

Hình 1-1: Đường cong từ hóa máy biến áp 11

Hình 1-2: Sóng hài đo tại xưởng giặt do các thiết bị điện tử công suất 12

Hình 1-3: Sóng hài của phân xưởng Inox Hoàng Vũ có máy biến áp công suất lớn 12

Hình 1-4: Sóng hài của lò hồ quang nhà máy gang thép Thái Nguyên 13

Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng dòng điện đi qua bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 14

Hình 1-6: Sóng hài của hệ thống điều hòa LG tại trung tâm hội nghị MIPEC – Tây Sơn – Hà Nội 14

Hình 1-7: Sơ đồ cộng hưởng: a) song song, b): nối tiếp 19

Hình 1-8: Sơ đồ mạng điện đơn giản 25

Hình 1-9: Sơ đồ tính toán với thành phần sóng cơ bản 26

Hình 1-10 Sơ đồ tính toán với thành phần sóng hài bậc h 26

Hình 2-1: Nguyên tắc lọc sóng hài của Bộ lọc tích cực 39

Hình 2-2: Bộ lọc tích cực 39

Hình 2-3: Mạch điều khiển điện áp DC của APF bằng lý thuyết PI 43

Hình 2-4: Mạch điều khiển điện áp DC của APF bằng lý thuyết FLC 44

Hình 3-1: Mô hình mô phỏng lưới điện với tải phi tuyến, không có bộ lọc sóng hài 46

Hình 3-2: Mô hình mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc sóng hài điều khiển theo lý thuyết PI 48

Hình 3-3: Mô hình mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc sóng hài điều khiển theo lý thuyết FLC 49

Hình 3-4: Kết quả mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến không có bộ lọc sóng hài 50

Hình 3-5: Kết quả mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc sóng hài điều khiển theo lý thuyết PI 50

Hình 3-6: Kết quả mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc sóng hài điều khiển theo lý thuyết FLC 51

Hình PLI-I-1b: Thông số cài đặt nguồn điện pha B 59

Hình PLI-I-1c: Thông số cài đặt nguồn điện pha C 59

Hình PLI-I-2: Thông số cài đặt bộ chỉnh lưu 60

Hình PLI-I-3: Thông số cài đặt phụ tải 60

Hình PLI-I-4: Thông số cài đặt đo đòng điện và điện áp 3 pha 60

Hình PLI-I-5: Thông số cài đặt khối hiển thị tín hiệu 61

Hình PLI-II-1: Thông số cài đặt cuộn cảm L của bộ lọc 61

Hình PLI-II-2: Thông số cài đặt bộ chỉnh lưu 62

Hình PLI-II-3: Thông số cài đặt tụ điện 62

Hình PLI-II-4: Thông số cài đặt Khối Real-Imag to Complex 62

Hình PLI-II-5: Thông số cài đặt Khối Complex to Magnitude-Angle 63

Hình PLI-II-6: Sơ đồ kết nối các khối của bộ PLL 63

Hình PLI-II-7: Sơ đồ kết nối các khối của bộ biến đổi giá trị a-b-c sang giá trị tham chiếu d-q 63

Hình PLI-II-8: Sơ đồ kết nối các khối của bộ biến đổi giá trị d-q sang giá trị iabc* 64

Hình PLI-II-9: Thông số cài đặt Relay, Relay 2 và 4 64

Hình PLI-II-10: Thông số cài đặt các Relay 1, 3 và 5 64

Hình PLI-II-11: Sơ đồ kết nối các khối của bộ PWM 65

Hình PLI-II-12: Thông số cài đặt bộ điều khiển PI 65

Hình PLI-II-13: Thông số cài đặt điện áp tham chiếu 65

Hình PLI-II-14a: Thông số cài đặt khối Goto 66

Hình PLI-II-14b: Thông số cài đặt khối From 66

Hình PLI-III-1: Thiết lập đầu vào và đầu ra của quan hệ Mờ 67

Hình PLI-III-2: Giá trị Input 1 của quan hệ Mờ 67

Hình PLI-III-3: Giá trị Input 2 của quan hệ Mờ 68

Hình PLI-III-4: Giá trị Output của quan hệ Mờ 68

Hình PLI-IV-7: Cài đặt cửa sổ Solver của khối Powergui 70

Hình PLI-IV-8: Chọn cửa sổ Tools xem kết quả mô phỏng 70

Hình PLII-I-1: Biểu diễn tập nhiệt độ “NÓNG” 71

Hình PLII-III-1: Biểu diễn tập mờ của “các số nguyên nhỏ” 72

Hình PLII-IV-1: Biểu diễn của các tập mờ “Trẻ”, “Trung niên”, và “Già” 73

Hình PLII-VII-1: Biểu diễn của các tập mờ 77

Hình PLIII-I-1: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 79

Hình PLIII-II-1: Đồ thị tín hiệu khiển PID - K p thay đổi 82

Hình PLIII-II-2: Đồ thị tín hiệu khiển PID – K i thay đổi 82

Hình PLIII-II-3: Đồ thị tín hiệu khiển PID – K d thay đổi 83

Hình PLIV-III-1: Mở cửa sổ Simulink Library Browser trong Matlab 86

Hình PLIV-III-2: Mở cửa sổ tạo mô hình từ cửa sổ Simulink Library Browser86 Hình PLIV-III-3: Tạo mô hình mô phỏng từ cửa sổ Simulink Library Browser 87

Hình PLIV-III-4: Mô phỏng mạch điện 88

Hình PLIV-III-5: Xem kết quả mô phỏng 88

Bảng 1-1: Mức nhấp nháy điện áp 9

Bảng 1-2: Độ biến dạng sóng hài điện áp 29

Bảng 1-3: Độ méo dạng sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE – 519/2014 29

Bảng 1-4: Độ méo dạng điện áp theo tiêu chuẩn IEC – 61000- 3-6/2008 30

Bảng 1-5: Kết quả đo sóng hài tại miền Bắc 30

Bảng 1-6: Kết quả đo sóng hài tại miền Nam 31

Bảng 1-7: Kết quả đo sóng hài tại Công ty Điện lực An Giang năm 2017 32

Bảng 1-8: Phụ tải có sóng hài cao nối với lưới điện huyện Châu Thành, tỉnh An Giang 35

Bảng 2-1: THDi pha C và tỷ lệ sóng hài chính ở 0,002 s 37

Bảng 2-2: THDi pha C và tỷ lệ sóng hài chính ở 0,008 s 37

Bảng 3-1: Kết quả mô phỏng của 03 mô hình 51

Bảng 3-2: Phụ tải có sóng hài cao đang nối với lưới điện phân phối của huyện Châu Thành 52

Bảng 3-3: Thông số cài đặt cho mô hình mô phỏng tải có sóng hài cao đang nối với lưới điện phân phối của huyện Châu Thành 53

Bảng 3-5: Kết quả mô phỏng lưới điện phân phối huyện Châu Thành 53

Bảng PLI-II-1: Các Luật Mờ cài đặt cho khâu giải Mờ (Defuzzification) 67

MỞ ĐẦU 1.1 Tính cần thiết của đề tài

- Thuật ngữ chất lượng điện năng từ những năm 1980 đã trở nên rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật điện Hiện tại, có nhiều lý do để quan tâm đến cải thiện chất lượng điện năng:

 Thiết bị dùng điện hiện đại nhạy cảm hơn với sự thay đổi thông số của nguồn cấp so với các thiết bị sử dụng điện trước đây Nhiều thiết bị điện được chế tạo với tính chất “thông minh” đòi hỏi có nguồn điện có chất lượng cao để làm việc chính xác

 Để đảm bảo thiết bị điện làm việc ổn định lâu dài, không bị hư hỏng do chất lượng điện năng thì việc nâng cao chất lương điện năng là tất yếu

 Các hệ thống truyền động điện sử dụng bộ điều khiển điện tử công suất, hệ thống chỉnh lưu và nghịch lưu, các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng và điều khiển điện áp trong hệ thống cung cấp điện, các loại thiết bị này là nguyên nhân ảnh hưởng nhiều đến chất lượng điện năng, đặc biệt là sự xuất hiện của sóng hài dòng điện

 Khách hàng sử dụng điện ngày hiểu rõ hơn về tác động của chất lượng điện năng đến quá trình sản xuất và sử dụng điện nên nghành điện cần có biện pháp đáp ứng nguồn điện đúng theo hợp đồng đã cam kết

 Đánh giá khả năng giảm tổn thất điện năng trên lưới điện cũng là một yêu cầu thường xuyên của ngành điện Việc nâng cao chất lượng điện năng cũng đồng thời làm giảm tổn thất điện năng trên hệ thống điện

- Hiện nay, nước ta đang trên đà hội nhập kinh tế quốc tế, đòi hỏi các doanh nghiệp phải chủ động và tích cực nâng cao năng lực cạnh tranh Đối với ngành Điện thì nâng cao chất lượng điện năng là một trong những chủ trương đang được quan tâm Nhà nước đã ban hành các văn bản quy định về chất lượng điện năng cụ thể là Nghị định 137/2013/NĐ-CP và Thông tư số 39/2015/TT-BCT

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Phân tích khả năng giảm thiểu sóng hài trên lưới điện phân phối của huyện Châu Thành, tỉnh An Giang, từ đó đề xuất giải pháp thực tế để nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối huyện Châu Thành, tỉnh An Giang và mở rộng cho toàn hệ thống điện do Công ty Điện lực An Giang quản lý

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu các yếu tố liên quan đến chất lượng điện năng trên lưới điện phân phối

- Nghiên cứu, phân tích nguyên nhân gây ra sóng hài và ảnh hưởng của sóng hài từ đó đề ra giải pháp hạn chế sóng hài

- Mô phỏng giải pháp giảm sóng hài trên mô hình bằng phần mềm Simulink để minh họa, kiểm chứng và đánh giá kết quả nghiên cứu

Matlab-1.4 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu các yếu tố liên quan đến sóng hài: Nguyên nhân, ảnh hưởng và giải pháp hạn chế sóng hài

- Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá khả năng giảm sóng hài trên phụ tải đấu nối vào lưới điện phân phối huyện Châu Thành

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Tra cứu văn bản quy định nhà nước, tài liệu tham khảo, các bài báo chuyên ngành Từ đó hiểu lý thuyết về sóng hài và ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng điện năng

- Lấy số liệu thực tế để xác định các tải gây ra sóng hài cao tại lưới điện phân phối huyện Châu Thành Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink để mô phỏng phương pháp lọc sóng hài cho các phụ tải gây ra sóng hài cao để kiểm định lại kết quả nghiên cứu lý thuyết

1.6 Điểm mới của đề tài

- Hiện chưa có công trình nghiên cứu nào ở An Giang áp dụng phương pháp giảm sóng hài áp dụng sử dụng giải thuật Logic Mờ để điều khiển bộ lọc sóng hài tích cực cho lưới điện phân phối huyện Châu Thành, tỉnh An Giang

- Giải pháp giảm sóng hài của phụ tải đấu nối vào lưới phân phối huyện Châu Thành bằng cách sử dụng bộ lọc sóng hài tích cực được điều khiển bằng giải thuật Logic Mờ (phụ tải trong nghiên cứu này là tải phi tuyến mà giải thuật Logic Mờ thích hợp cho việc điều khiển hệ phi tuyến)

- Điều khiển bộ lọc sóng hài tích cực sử dụng bộ điều khiển PI (hoặc PID) khó khăn và mất thời gian hơn FLC [1]

- So với công trình nghiên cứu của Aziz Boukadoum và Tahar Bahi [2] có sử dụng giải thuật Logic Mờ để điều khiển bộ lọc sóng hài tích cực với số luật Mờ là

15 luật Đề tài này nghiên cứu tương tự nhưng có số luật Mờ là 49 luật sẽ cho tín hiện điều khiển tinh hơn

- Có áp dụng AI (Artificial Intelligence), cụ thể là Fuzzy Logic vào đề tài tiếp cận xu hướng công nghệ 4.0

1.7 Phạm vi ứng dụng

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp ích trong việc đánh giá khả năng giảm sóng hài của từng phụ tải đấu nối vào lưới điện phân phối từ đó giảm sóng hài trên lưới điện, nâng cao chất lượng cung cấp điện cho khách hàng của Công ty Điện lực

An Giang

1.8 Nội dung đề tài

Ngoài phần mở đầu, nội dung nghiên cứu của đề tài được chia làm bốn chương, với các nội dung như sau:

Chương: Mở đầu

Chương 1: Tổng quan chất lượng điện năng

Chương 2: Một số biện pháp hạn chế sóng hài

Chương 3: Mô phỏng bộ lọc sóng hài tích cực bằng Matlab Simulink

Chương 4: Kết luận

TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHƯƠNG 1 -

1.1 Khái niệm về chất lượng điện năng

Chất lượng điện năng: Là tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc ổn định, lâu dài đến hiệu suất làm việc của các thiết bị trong hệ thống điện Chất lượng điện năng còn bao hàm những yếu tố có thể ảnh hưởng tới sức khỏe của người sử dụng điện

Chất lượng điện năng là một chủ đề nghiên cứu rất rộng có ý nghĩa chiến lược đối với toàn ngành điện và với các nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác, bảo dưỡng quản lý, các nhà chế tạo thiết bị, vì các lí do sau:

- Tính chất cạnh tranh của nền kinh tế nên đòi hỏi điện năng phải được đảm bảo thường xuyên với chất lượng tốt mới thu hút được các nhà đầu tư

- Việc suy giảm chất lượng điện năng làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ bị giảm

- Vấn đề hiệu quả sử dụng điện năng ngày càng được quan tâm, do công nghiệp chế tạo thiết bị điện phát triển và khách hàng đã sử dụng nhiều loại thiết bị

“thông minh” với hiệu quả năng lượng ngày càng cao nhưng cũng khắt khe hơn như: Hệ thống truyền động điện sử dụng bộ điều tốc điện tử công suất, các hệ thống chỉnh lưu và nghịch lưu, các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng và điều khiển điện áp trong hệ thống điện Chính những loại thiết bị điện này là nguyên nhân gây

ra vấn đề về chất lượng điện năng, đặc biệt là sự xuất hiện của sóng hài điện áp và dòng điện trong lưới điện phân phối

- Hệ thống cung cấp và sử dụng điện hiện đại là một hệ thống phức tạp, tích hợp cao, sự làm việc và hỏng hóc của một phần tử trong hệ thống có thể ảnh hưởng đến các phần tử khác thậm chí đến toàn hệ thống

Có nhiều cách hiểu và định nghĩa khác nhau về chất lượng điện năng tùy thuộc và quan điểm của người đánh giá

- Theo IEEE (Institue of Electric and Electronic Engineers): Chất lượng điện năng là một khái niệm của việc nối nguồn và nối đất cho các thiết bị nhạy cảm mà

theo cách đó phù hợp cho việc hoạt động của thiết bị

- Đối với đơn vị cung cấp điện: Được hiểu là chất lượng điện áp, tần số và độ

tin cậy cung cấp điện theo quy định;

- Đối với nhà sản xuất thiết bị điện: Là tập hợp các thông số của điện năng

được cung cấp đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt Tập hợp các thông số này có thể rất khác nhau đối với từng chủng loại thiết bị và từng nhà sản xuất, khách hàng sử dụng điện

- Khách hàng sử dụng điện: Thường đánh giá chất lượng điện năng theo quan

điểm an toàn, đảm bảo tiện nghi và hiệu quả sản xuất, tiêu dùng

- Theo quan điểm của Ngành điện: Hiện nay thì khách hàng sử dụng điện là

đối tượng luôn được quan tâm, chăm sóc ngày càng tốt hơn Do đó có thể hiểu chất lượng điện năng là các vấn đề liên quan đến việc làm cho hoạt động của thiết bị điện của khách hàng hoặc của đơn vị được cung cấp điện tốt nhất

Bài toán đánh giá quan hệ đảm bảo chất lượng của điện năng ngày càng trở nên phức tạp theo cách nhìn của từng đối tác

 Đối với nhà sản xuất thiết bị điện là giá thành sản phẩm Một thiết bị điện nếu được chế tạo để có thể hoạt động bình thường trong một dải biến thiên rộng của thông số chất lượng điện năng thường có giá thành cao

 Đối với đơn vị cung cấp điện: Nâng cao chất lượng điện năng thường đồng nghĩa với những khoản đầu tư lớn để nâng cấp lưới điện, vì vậy nếu không có những điều kiện pháp lý ràng buộc, các đơn vị cung cấp điện thường không thực hiện những giải pháp nâng cao chất lượng điện năng vì sẽ tốn kém chi phí

Tuy nhiên, trong điều kiện thị trường điện lực phát triển, các ràng buộc kỹ thuật trong hợp đồng mua bán điện liên quan đến chất lượng điện năng sẽ là áp lực

để các đơn vị cung ứng điện có trách nhiệm hơn trong việc đảm bảo chất lượng điện năng cho khách hàng sử dụng điện Chất lượng điện năng cũng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng điện năng, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chi phí và tiện nghi của khách hàng Ngược lại, nhiều thiết bị sử dụng điện của khách hàng lại là nguyên nhân gây nên những ảnh hưởng đến Chất lượng điện năng đối với lưới điện

mức của hệ thống điện độ biến thiên tần số được tính như sau:

| |

Trong đó:

f t : Tần số thực tế

f đm : Tần số định mức

- Chất lượng tần số còn được đánh giá dựa trên độ dao động tần số, được đặc trưng bởi độ biến thiên giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tần số khi tốc độ tần số biến thiên nhanh hơn 1 %/s

- Thông tư số 39/2015/BCT [3] quy định: Tần số danh định trong hệ thống điện quốc gia là 50 Hz Trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi ± 0,2 Hz so với tần số danh định Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi ± 0,5 Hz so với tần

số danh định

Chất lƣợng điện áp

1.1.3.

Điện áp là một trong những đại lượng đặc trưng cho chất lượng điện năng của

hệ thống điện Có thể mô tả điện áp của một thiết bị điện hoặc hệ thống điện thông qua các trị số

- Điện áp tức thời, u(t): Là trị số điện áp ứng với một thời điểm nhất định, được biểu diễn bằng hàm số sau:

Trong đó:

Umax: Biên độ điệp áp (V);

f: Tần số (Hz);

φ: Góc pha điện áp (o);

Trị số điện áp viết theo (1.2) là thành phần sóng điện áp ở tần số cơ bản

- Điện áp hiệu dụng, Urms: Là trị số điện áp được tính theo công thức sau:

√ ∫ [ ]

Trong đó:

+ u(t): Trị số điện áp tức thời (V);

+ T: Chu kỳ thời gian khảo sát (giây);

Điện áp hiệu dụng cũng là 1 đại lượng thay đổi theo thời gian Với dạng điện

áp như (1.2) trong đó biên độ điện áp Umax không thay đổi thì trị số điện áp hiệu dụng sẽ là

Trong đó:

- Một số tiêu chuẩn trên thế giới của biến thiên điện áp quy định như sau:

 Tiêu chuẩn châu Âu: EN 50160 quy định U = ±10 %; xác suất 95 %

 Tiêu chuẩn Úc: AS60038 quy định với Uđm = 240V, -2 % ≤ U ≤ +10 %; xác suất 95 % và -6 % ≤ U ≤ +10 %; xác suất 99 %

 Tiêu chuẩn về độ biến thiên điện áp ở Việt Nam [3]:

 Trong chế độ vận hành bình thường, điện áp vận hành tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp danh định như sau:

 Tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện là U = ±5 %;

 Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là – 5 % ≤ U ≤ +10 %

 Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành sau sự

cố, cho phép mức biến thiên điện áp tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện

bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5 % và -10 % so với điện áp danh định

 Trong chế độ sự cố nghiêm trọng trên hệ thống truyền tải điện hoặc khôi phục sự cố, cho phép mức biến thiên điện áp trong khoảng ±10 % so với điện áp danh định

- Nhấp nháy điện áp:

 Nhấp nháy (flicker): Là ấn tượng không ổn định của thị giác do sự kích thích của ánh sáng có quang thông dao động theo thời gian Nhấp nháy là cảm giác không thoải mái của thị lực con người do sự thay đổi của cường độ ánh sáng của nguồn sáng Quang thông của các thiết bị chiếu sáng phụ thuộc điện áp nên việc đánh giá hiện tượng dao động điện áp được thực hiện thông qua những kiến thức về quá trình sinh lý trong quá trình sự cảm nhận nhấp nháy ánh sáng của con người

 Các mức nhấp nháy điện áp:

 Mức nhấp nháy ngắn hạn (Pst) là giá trị đo được trong khoảng thời gian mười (10) phút bằng thiết bị đo nhấp nháy Nó là đại lượng không đơn vị, đặc trưng cho mức độ xấu của nhấp nháy Pst = 1 tương ứng với giới hạn không được vượt qua để tránh sự mệt mỏi cho người quan sát đối với bất kỳ loại nhấp nháy nào

 Mức nhấp nháy dài hạn (Plt) được tính từ 12 kết quả đo Pst liên tiếp (trong khoảng thời gian hai giờ), theo công thức:

√∑

Trong đó: Plt là tiêu chuẩn đánh giá nhấp nháy dài hạn khi xem xét các sự kiện nhấp nháy với các chu kỳ lớn hơn hoặc khi một số phụ tải gây nhấp nháy đồng thời vận hành Giới hạn mức nhấp nháy dài hạn là 0,8

 Độ biến thiên điện áp tương đối: Ngoài các mức nhấp nháy nêu trên, dao

động điện áp còn có thể đặc trưng bởi độ biến thiên điện áp tương đối:

Trong đó:

ΔU = (Umax – Umin): Mức biến thiên điện áp

U: Điện áp trung bình trong một khoảng thời gian;

d: được tính theo trị số hiệu dụng ΔU và U và U= Udđ để phù hợp với những thay đổi về quang thông ánh sáng

 Tiêu chuẩn về nhấp nháy điện áp ở Việt Nam [3] như sau:

Thực tế tồn tại rất nhiều loại phụ tải phi tuyến, là loại tải mà điện áp và dòng điện có mối quan hệ không tuyến tính (ví dụ như máy tính, lò hồ quang, nhà máy thép, nhà máy xi măng .) Các phụ tải này sẽ gây méo dạng dòng điện trên lưới Nói cách khác, phụ tải phi tuyến gây ra hiện tượng méo dạng sóng của dòng điện và lan truyền trong hệ thống điện

Việc nghiên cứu và tính toán những ảnh hưởng của hiện tượng méo dạng sóng hài đang được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới Một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện này là sử dụng lý thuyết về sóng hài Theo lý thuyết này, một dạng sóng không sin bất kỳ sẽ được phân tích thành tổng của các sóng điều hòa

hình sin (chuỗi Fourier) Những sóng điều hòa dạng sin có tần số khác với tần số cơ bản được gọi là sóng hài Trên thực tế, việc áp dụng lý thuyết về sóng hài vào việc giải bài toán méo dạng điện áp có những hạn chế và phạm vi ứng dụng nhất định Hiện nay, phương pháp sóng hài với tần số cao đang là một trong những phương pháp phổ biến nhất dùng để tính toán trong hệ thống điện

- Với phương pháp này, sóng hài được hiểu là các sóng tuần hoàn hình sin và

có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (50 Hz hoặc 60 Hz)

Trong đó:

 Phụ sóng hài bậc thấp: Là các thành phần sóng có tần số nhỏ hơn tần số cơ bản

Phụ tải phi tuyến

Nguyên nhân gây ra sóng hài và ảnh hưởng

1.2.2.

1.2.2.1 Nguyên nhân gây ra sóng hài

Sóng hài trong hệ thống điện được gây ra bởi các phần tử phi tuyến như các thiết bị điện tử công suất, các máy biến áp công suất lớn với mạch từ bão hòa, các lò

hồ quang điện, lò nấu thép, nhà máy xi măng Các thiết bị này có thể chia thành các nhóm như sau:

- Các thiết bị có hiện tượng bão hòa mạch từ:

 Các thiết bị này bao gồm các động cơ, máy biến áp, là các thiết bị có cấu trúc lõi thép Đặc tính làm việc phi tuyến kèm theo đó là sóng hài được gây ra bởi đặc tính từ hóa không tuyến tính của lõi thép

Hình 1-1: Đường cong từ hóa máy biến áp

 Các máy biến áp lực được chế tạo để hoạt động trong vùng tuyến tính của đường cong bão hòa mạch từ, nằm dưới điểm bắt đầu đi vào vùng bão hòa Nếu máy biến áp vận hành tại điện áp nhỏ hơn hoặc bằng điện áp định mức, dòng điện từ hóa máy biến áp có quan hệ tuyến tính so với điện áp Nếu máy biến áp vận hành với điện áp lớn hơn điện áp định mức (ví dụ khi làm việc non tải), điểm làm việc sẽ

đi dần vào vùng bão hòa của lõi thép (vùng phi tuyến) Khi đó dòng từ hóa máy biến áp sẽ biến đổi không tuyến tính so với điện áp, phát sinh ra các sóng hài

 Thực tế, để tiết kiệm vật liệu, điểm làm việc ứng với giá trị điện áp định mức của các máy biến áp lực thường được chọn tương ứng với điểm có giá trị bằng khoảng 0,9 lần giá trị bắt đầu vào vùng bão hòa Do đó, máy biến áp có thể vận

vùng trung gian

vùng bão hoà

hành tới điện áp bằng 110 % điện áp định mức mới bắt đầu xảy ra hiện tượng bão hòa mạch từ

Hình 1-2: Sóng hài đo tại xưởng giặt do các thiết bị điện tử công suất

Hình 1-3: Sóng hài của phân xưởng Inox Hoàng Vũ có máy biến áp công suất lớn

- Các thiết bị có hiện tượng phóng điện: Các thiết bị thuộc nhóm này bao gồm

lò hồ quang điện, đèn huỳnh quang, màn hình CRT, Các thiết bị này hoạt động dựa trên sự phóng điện

 Lò hồ quang: Sử dụng nhiệt năng chuyển từ điện năng để nấu chảy kim loại Trong suốt quá trình vận hành, tia lửa điện do lò hồ quang phát ra thay đổi liên lục và hoàn toàn ngẫu nhiên, không theo chu kỳ Do đó, sóng hài sinh ra từ các lò

hồ quang không thể dự đoán được Qua phân tích, trong giai đoạn đầu của quá trình luyện kim khi kim loại chưa nóng chảy nhiều, dòng điện hồ quang bao gồm một dải liên tục các sóng hài bậc nguyên và không nguyên Trong đó các thành phần hài bậc nguyên từ bậc 2 đến bậc 7 thường chiếm tỷ lệ cao trong thành phần sóng hài của dòng hồ quang Khi mức kim loại nóng chảy trong bể tăng lên, dòng hồ quang cũng

trở nên ổn định hơn, độ méo dạng điện áp giảm, các sóng hài bậc chẵn và không nguyên được triệt tiêu dần

Hình 1-4: Sóng hài của lò hồ quang nhà máy gang thép Thái Nguyên

 Các loại đèn phóng điện:

 Các loại đèn này, điển hình là đèn huỳnh quang hoạt động dựa trên hiện tượng phóng điện giữa 2 bản cực trong khí kém Đèn được cấu tạo bởi hai điện cực đặt ở hai đầu của một ống thủy tinh có phủ bột huỳnh quang và bơm vào các khí kém như thủy ngân, ni tơ, Để hoạt động cần đặt một điện áp lớn lên hai cực nhờ chấn lưu, qua đó kích thích sự phóng điện giữa hai bản cực và làm xuất hiện dòng điện trong ống huỳnh quang Khi dòng điện phóng điện được thiết lập, điện áp giữa

2 cực sẽ giảm xuống, đồng thời chấn lưu sẽ đóng vai trò như một thiết bị giới hạn dòng phóng điện

 Có 2 loại chấn lưu: chấn lưu điện từ và chấn lưu điện tử Loại chấn lưu điện

từ được cấu tạo đơn giản bởi một lõi thép kỹ thuật điện Loại chấn lưu điện tử là một bộ đóng cắt điện áp, đồng thời biến đổi điện áp ngõ vào từ tần số cơ bản thành tín hiệu có tần số 25 – 40 kHz

 Loại chấn lưu điện từ sinh ra dòng điện méo dạng với độ méo dạng khoảng 15% và chủ yếu là thành phần bậc 3 Loại chấn lưu điện tử sinh ra dòng điện méo dạng với độ méo dạng toàn phần từ 10 - 32 %

 Các bộ thiết bị điện tử công suất:

 Các thiết bị điện tử công suất thường được sử dụng trong hệ thống điện dựa vào sự đóng, cắt các van bán dẫn như diode, thyristor, triac, Các thiết bị này làm

cho dòng điện, điện áp bị méo dạng và sinh ra sóng hài

 Trên thực tế, các bộ biến đổi điện tử công suất ngày càng được sử dụng rộng rãi bao gồm: các bộ chỉnh lưu DC, các bộ nghịch lưu AC, các bộ biến tần điều chỉnh công suất động cơ AC, các bộ đóng cắt các thiết bị bù tĩnh như SVC, TSC,

Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng dòng điện đi qua bộ chỉnh lưu cầu 1 pha

Hình 1-6: Sóng hài của hệ thống điều hòa LG tại trung tâm hội nghị MIPEC – Tây

khu vực phụ tải công nghiệp và thương mại, khái niệm bộ lọc sóng hài cũng chưa hoàn toàn được phổ biến Một nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do chưa nhận thức về các tác hại của sóng hài có thể gây ra trong hệ thống điện

Vì vậy, một lượng lớn các thiết bị điện không được bảo vệ tốt trước các ảnh hưởng của sóng hài Những tác động chính của sóng hài như sau:

- Tăng tổn thất công suất tác dụng của hệ thống điện

- Làm giảm chất lượng điện năng, hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị

- Gây ra các hiện tượng cộng hưởng, làm hư hỏng các thiết bị trong hệ thống điện

- Làm cho các thiết bị bảo vệ tác động sai, thiết bị đo lường hoạt động không chính xác

- Làm nhiễu các hệ thống radio, chiếu sáng

Tác động tiêu cực của sóng hài đối với các loại thiết bị cụ thể như sau:

Trong đó:

Irms là giá trị dòng điện hiệu dụng của dòng điện khi có dòng hài

I0 là giá trị dòng điện một chiều

In là giá trị hiệu dụng của dòng điện ở bậc n (tần số n.f0)

 Khi xuất hiện sóng hài thì không chỉ giá trị hiệu dụng của dòng điện thay đổi, mà điện trở R của dây dẫn cũng thay đổi với các sóng hài có tần số khác nhau dưới ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng gần (proximity effect)

 Hiệu ứng bề mặt dẫn đến điện trở của dây dẫn tăng khi tần số tăng cao

Điện trở của dây dẫn dưới tác động của hiệu ứng bề mặt được tính theo công thức:

Trong đó:

L là chiều dài dây dẫn

ρ là điện trở suất của đường dây

δ là độ sâu bề mặt (skin-depth) được tính theo công thức

√

Với   , r, 0lần lượt là tần số góc, độ từ thẩm của vật liệu làm dây dẫn và độ

RDC là điện trở dây dẫn với dòng điện một chiều

Re() là phần thực của biểu thức trong ngoặc

m là số lớp của phần tử

√

 là điện trở suất của đường dây

a: chiều rộng của hình vuông có diện tích bằng tiết diện của dây dẫn

b: độ dài cạnh của hình vuông có diện tích bằng diện tích vòng dây

h: chiều dài của hình vuông có diện tích bằng tiết diện của dây dẫn

 Dưới tác động của hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt, điện trở của dây dẫn ở tần số của các hài bậc cao lớn hơn so với điện trở dây dẫn ở tần số cơ bản Ở các tần

số lớn hơn (hài bậc 5 trở lên), tổn thất công suất tương ứng với hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần có thể tăng lên đáng kể

 Dòng điện hài không chỉ làm tăng giá trị dòng điện hiệu dụng trên các dây pha, các dòng hài thành phần thứ tự không (bậc 3, 9, 15) còn chạy trong dây trung tính Điều này không chỉ gây tổn thất trên dây dẫn trung tính, mà còn có thể dẫn đến quá nhiệt, cháy dây trung tính

 Vậy nên với các phụ tải có lượng hài thứ tự không lớn, người ta thường dùng dây trung tính có tiết diện bằng 2 lần dây pha Với mạch điện 3 pha cân bằng thì việc quan sát nhiệt độ trên dây trung tính máy biến áp có thể dùng để phát hiện mạch trung tính có bị quá tải do dòng hài thứ tự không

- Động cơ điện

 Méo dạng dòng điện tăng tổn thất trong các máy điện quay theo cách tương

tự như máy biến áp và gây phát nhiệt, do tăng tổn thất sắt từ và tổn thất đồng trong cuộn stator, mạch rotor và lõi rotor Các tổn thất này còn được tăng lên do hiệu ứng

bề mặt và hiệu ứng gần, đặc biệt với tần số lớn hơn 250 Hz (hài bậc 5)

 Quá nhiệt có thể ảnh hưởng xấu tới bôi trơn của ổ trục, gây hỏng ổ trục Quá nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của động cơ, nhiệt độ cứ tăng lên 10 độ C

so với nhiệt độ định mức thì tuổi thọ của động cơ giảm 50 % Động cơ rotor lồng sóc có thể chịu được nhiệt độ cao hơn so với động cơ rotor dây cuốn

 Tương tự như với máy biến áp, cuộn dây của động cơ, đặc biệt là các động

cơ có cấp cách điện thấp có khả năng bị hư hỏng khi dao đọng điện áp lớn lớn

 Các thành phần hài thứ tự thuận (ví dụ như hài bậc 7, 13 ,19 ) sẽ làm tăng moment quay, trong khi các thành phần hài thứ tự nghịch (bậc 5, 11, 17) làm giảm moment quay và gây rung lắc động cơ Thành phần thứ tự không (hài bậc 3, 9, 15)

không tạo ra từ trường quay mà chỉ gây phát nhiệt Các moment do sóng hài gây ra

có thể gây nên rung lắc mạnh và gây vặn xoắn trục

- Tụ điện

 Tụ điện là phần tử rất nhạy cảm trong hệ thống điện Theo tiêu chuẩn IEEE18-2002 thì tụ điện được phép vận hành với giới hạn là 135% Qđm, 135% Iđm, 110% Uđm

∑

∑ √

∑

 Như đã nói ở trên, sóng hài có ảnh hưởng tới biên độ và giá trị hiệu dụng cũng như tốc độ biến thiên của dòng điện và điện áp Quá áp, quá dòng, tốc độ biến thiên điện áp dU/dt hoặc dòng điện dI/dt lớn đều có khả năng làm giảm tuổi thọ thậm chí gây hư hỏng tụ

 Hiện tượng vận hành cộng hưởng xảy ra ở một tần số mà giá trị điện kháng của tụ bằng với điện kháng tương đương của hệ thống Trong trường hợp cộng hưởng nối tiếp, điện kháng của mạch tại tần số cộng hưởng giảm xuống bằng với điện trở của mạch Nếu điện trở nhỏ, dòng điện chạy trong mạch ở tần số đó sẽ tăng lên rất lớn Trong trường hợp cộng hưởng song song, điện kháng ở tần số cộng hưởng rất lớn (trên lý thuyết là vô cùng lớn) Điều này dẫn đến điện áp hài lớn trên các nhánh, ngay cả với dòng hài do tải phi tuyến gây ra nhỏ Méo dạng điện áp này lại gây ra dòng điện hài lớn trên hệ thống và tụ bù Bởi vậy, tình trạng cộng hưởng

có thể gây nguy hại cho cách điện rắn, cuộn dây máy biến áp và tụ điện Sơ đồ cộng hưởng song song và nối tiếp của sóng hài cho trong hình 1-7

Hình 1-7: Sơ đồ cộng hưởng: a) song song, b): nối tiếp

 Tần số cộng hưởng có thể dự đoán được nếu biết công suất ngắn mạch tại điểm cài đặt tụ bù

√ Trong đó hr là tần số cộng hưởng (tính theo bội của tần số cơ bản);

Ssc là công suất ngắn mạch;

Qc là công suất phản kháng định mức của tụ

 Nếu tần số này trùng với tần số của sóng hài, điện kháng ở tần số hài rất lớn dẫn đến điện áp hài được phóng đại Balda đề nghị chừng nào công suất phản kháng định mức của tụ và phụ tải phi tuyến nhỏ hơn 30 % và 20 % của công suất định mức của biến áp thì không cần xét đến cộng hưởng Thường thì các sóng hài bậc 5 ,7 là phổ biến và có biên độ lớn nhất

- Các ảnh hưởng khác của sóng hài:

 Relay và các thiết bị đo đếm, đóng cắt:

 Một lượng đáng kể các cầu dao hạ áp sử dụng nguyên lý lưỡng kim, hoạt động dựa trên hiệu ứng phát nhiệt của dòng điện Khi có tải phi tuyến, dòng điện hiệu dụng sẽ lớn hơn dòng điện hiệu dụng của tải tuyến tính có cùng công suất Bởi vậy, trừ khi ngưỡng cắt đã được hiệu chỉnh theo phụ tải phi tuyến, thì cầu dao có thể cắt nhầm khi có xuất hiện sóng hài

 Hoạt dộng của cầu chì cũng dựa trên hiệu ứng nhiệt của dòng điện Giá trị dòng điện hiệu dụng càng cao thì cầu chì phản ứng càng nhanh Với phụ tải phi tuyến dòng điện hiệu dụng cao hơn phụ tải tuyến tính của cùng công suất, bởi vậy

a )

b )

việc lựa chọn cầu chì cần cân nhắc đến phụ tải phi tuyến để tránh trường hợp tác động nhầm Mặt khác, cầu chì ở tần số hài, chịu tác động của hiệu ứng bề mặt cũng như hiệu ứng lân cận làm tăng thêm phát nhiệt trên cầu chì

 Các thiết bị đo, thiết bị bảo vệ và các thiết bị khác dựa trên các phương pháp đo lường truyền thống hay là hiệu ứng nhiệt của dòng điện sẽ hoạt động không chính xác khi có sóng hài, có thể gây hậu quả nghiêm trọng: dây dẫn quá tải không được phát hiện có thể gây cháy, tuổi thọ các thiết bị như thanh cái và dây dẫn giảm Cầu dao và cầu chì kém tin cậy

 Các công tơ truyền thống được thiết kế để đo các đại lượng hình sin Điện

áp và dòng phi truyến gây sai số trong mạch đo, dẫn đến kết quả đo không chính xác

 Các thiết bị thông tin và mạng viễn thông: Dòng hài gây ảnh hưởng các thiết bị viễn thông cũng như đường dây điện thoại chạy song song Bởi vì, thông thường thì hệ thống thông tin chỉ gắn bộ lọc tần số lưới điện, không có các bộ lọc sóng hài bậc cao như bậc 9 - 20

1.3 Phương pháp phân tích méo dạng sóng

Hiện tượng méo dạng sóng trong hệ thống điện có thể được phân tích bằng một trong các phương pháp sau:

- Phân tích theo miền tần số;

- Phân tích theo miền thời gian;

- Phương pháp thống kê

 Phương pháp phân tích theo miền tần số: Dựa trên cơ sở toán học là phép khai triển Fourier để đưa ra kết quả là các giá trị độ lớn, góc pha của các thành phần sóng hài ứng với các tần số khác nhau xuất hiện trong một tín hiệu điện áp hoặc dòng điện biến thiên theo thời gian Khi phân tích hệ thống, các thành phần sóng hài được tính toán một cách riêng lẻ, sau đó sẽ được cộng lại theo phương pháp xếp chồng nhằm đưa ra dạng sóng tổng hợp của tín hiệu cần nghiên cứu Phương pháp này có khối lượng tính toán không nhiều, và là phép phân tích gần đúng, đơn giản cho kết quả tương đối chính xác

 Phương pháp phân tích theo miền thời gian: Phương pháp này dựa trên cơ

sở toán học là việc giải hệ các phương trình vi phân mô tả các quá trình động của hệ thống bằng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn Phương pháp này có ưu điểm là

có thể áp dụng phân tích trong mọi trạng thái khác nhau của hệ thống và cho kết quả khá nhanh Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này để tính toán và phân tích những ảnh hưởng của méo dạng sóng rất khó khăn Do đó nó thường chỉ dùng để phân tích sóng hài trong các quá trình quá độ phi chu kỳ như phân tích sóng hài xuất hiện trong lò hồ quang hoặc trong quá trình quá độ do đóng cắt các thiết bị trong hệ thống điện, sau đó kết hợp với phương pháp phân tích theo miền tần số để tiếp tục xử lý

 Phương pháp thống kê: Phương pháp này được sử dụng trong phòng thí nghiệm bằng cách đo trực tiếp các thành phần sóng hài trong tín hiệu cần phân tích, qua đó đưa ra kết quả độ lớn của từng thành phần hài cần quan tâm xuất hiện trong tín hiệu Phương pháp này có độ chính xác cao cho từng loại thiết bị Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là phải đo đạc rất nhiều lần và mất nhiều thời gian

- Trong cả 3 phương pháp phân tích méo dạng sóng nêu trên, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định Tuy nhiên, để tiến hành tính toán và

xử lý những ảnh hưởng của nhiễu sóng, phương pháp phân tích theo miền tần số thường mang lại nhiều lợi ích do đó sẽ được tiếp tục đi sâu hơn

Phương pháp phân tích theo miền tần số

1.3.1.

1.3.1.1 Chuỗi Fourier

Phương pháp phân tích sóng hài được dựa trên cơ sở là phép phân tích chuỗi Fourier Phép phân tích chuỗi Fourier được đưa ra với giả thiết mỗi một hàm số có chu kỳ (T) đều có thể phân tích được thành tổng của các hàm tuần hoàn sin hoặc cosin với các tần số khác nhau là các bội nguyên lần của tần số cơ bản (f = 1/T) Khai triển Fourier như sau:

là tần số góc của thành phần tuần hoàn bậc h

Thành phần a0 là thành phần một chiều biểu diễn giá trị trung bình của tín hiệu x(t) Các thành phần ah và bh là các hệ số của khai triển chuỗi Fourier ứng với thành phần tuần hoàn bậc h

Giá trị biên độ của thành phần tuần hoàn bậc h là: √

Phần trên đã trình bày sơ lược về chuỗi Fourier của một tín hiệu được mô phỏng bằng hàm số có chu kỳ T hữu hạn Phép biến đổi Fourier được xây dựng trên

cơ sở xem xét chuỗi Fourier cho một hàm phi chu kỳ bất kỳ với giả thiết T →∞ Khi

đó các công thức (1.22) và (1.23) được biến đổi như sau:

√

(

) Trong đó:

Re(Xh) =  x(t) cos(ht)dt

 là phần thực của Xh

Im(Xh) = x(t) sin(ht)dt

 là phần ảo của Xh

1.3.1.3 Áp dụng trong tính toán sóng hài

Trên thực tế, giá trị tức thời của các tín hiệu cần phân tích được xác định một cách rời rạc Do vậy, công thức (1.25) được biến đổi thành tổng của các tín hiệu rời rạc gọi là phép khai triển Fourier rời rạc

Dải phổ của sóng hài bậc h của điện áp hoặc dòng điện:

Xh =   j h n t

n n n

n là số thứ tự của lần lấy mẫu;

xn (tn) là giá trị tức thời đo được tại thời điểm lấy mẫu tn của giá trị điện áp hoặc dòng điện

Tuy nhiên, số lần lấy mẫu của thiết bị chỉ được thực hiện hữu hạn Nếu việc phân tích theo biến đổi Fourier rời rạc được thực hiện trong khoảng thời gian T là 1 chu kỳ ứng với thành phần cơ bản của tín hiệu dòng điện hoặc điện áp với số lần lấy mẫu là N dải phổ ứng với tần số fh = ωh/(2π) sẽ được biểu diễn lại như sau:

TS = T/N là chu kỳ lấy mẫu của thiết bị;

fS = 1/TS là tần số lấy mẫu của thiết bị;

ωs= 2π/TS = 2πfS là tần số góc lấy mẫu của thiết bị;

tn = n.Ts

Khi đó công thức (1.27) sẽ trở thành:

Xh(ωh)= N 1   j2 hn N 1  

hn N

hay: ω1=ωs/N với N=T/TS trong đó: h là số nguyên

Có thể thấy tần số của mỗi một thành phần hài bất kỳ fh phụ thuộc vào tần số lấy mẫu fS của thiết bị đo và độ dài của tín hiệu đầu vào Do đó nếu thực hiện phép

biến đổi Fourier rời rạc với tín hiệu đầu vào có chiều dài T* = pT (với p nguyên

Từ công thức trên có thể thấy, nếu chọn thời gian phân tích bằng bội số nguyên lần p chu kỳ T của thành phần sóng cơ bản, phép phân tích Fourier rời rạc theo công thức (1.30) sẽ cho kết quả là các dải phổ của thành phần hài có tần số

  có bậc bằng số không nguyên lần tần số cơ bản khi h không phải là

bội số của p Thành phần hài này được gọi là thành phần liên sóng hài (interharmonic)

Bằng cách thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc có thể phân tích được tín hiện điện áp hoặc dòng điện thành các dải phổ của các tần số bậc cao khác nhau Với việc chọn thời gian lấy mẫu khác nhau ta có được các kết quả phân tích sóng hài (harmonic) và liên sóng hài (interharmonic)

1.3.1.4 Sơ đồ tính toán sóng hài

Xét sơ đồ mạng điện đơn giản mô tả một tải phi tuyến được cung cấp bởi nguồn điện từ hệ thống như hình vẽ sau:

Hình 1-8: Sơ đồ mạng điện đơn giản Trong đó:

E là nguồn áp tương đương của hệ thống điện, được giả thiết là nguồn điện thuần sin có tần số cơ bản f= 50 Hz;

E

Z S = R S + jX S

ZS = RS + jXS là tổng trở tương đương của hệ thống điện ứng với thành phần sóng cơ bản;

Zt là tổng trở của tải phi tuyến;

XC là dung kháng của thiết bị bù tại nút tải ứng với thành phần sóng bậc cơ bản

Áp dụng nguyên tắc xếp chồng, thì phụ tải phi tuyến sẽ được phân tích thành một chuỗi nguồn dòng điện Tương ứng với mỗi nguồn điện (nguồn dòng hoặc nguồn áp), ta sẽ có một sơ đồ để tính toán riêng biệt Do tính chất tương đồng của những nguồn sóng hài bậc cao, ta chỉ vẽ một hình minh họa

Khi đó, sơ đồ như hình 1-8 sẽ được biến đổi thành hai sơ đồ dưới đây:

Hình 1-9: Sơ đồ tính toán với thành phần sóng cơ bản

Hình 1-10 Sơ đồ tính toán với thành phần sóng hài bậc h Hình 1-10 biểu diễn sơ đồ tính toán cho thành phần sóng cơ bản tần số 50 Hz Với tần số cơ bản, tải được coi là thành phần tuyến tính Áp dụng công định luật Ohm cho toàn mạch ta có:

Dòng điện bậc cơ bản do hệ thống cung cấp:

S 1

td 1

EI

cơ bản được tính như sau:

)jX.(

Z.I

U

C T

C T 1 S 1

)jX(Z

)jX.(

Z.IZ

U

I

C T

C T 1 S T

1 T 1

PT-1 = UT-1 IT-1.cos(UT-1, IT-1) (1.35)

Công suất tổn hao trên lưới điện của thành phần sóng bậc cơ bản:

ΔPS-1 = IS-12.RS (1.36)

Hình 1-13 biểu diễn sơ đồ tính toán cho thành phần sóng hài bậc h với tần số

fh= h.f1 Khi đó tải được coi là nguồn dòng phát ra dòng điện Ih có điện trở trong vô cùng lớn, nguồn áp E bị ngắn mạch

Ứng với thành phần sóng hài bậc h, các điện kháng, điện dung được tính toán:

ρ là điện trở suất của chất làm dây dẫn;

σ điện dẫn suất của chất làm dây dẫn;

D là đường kính của tiết diện dây dẫn (coi dây có tiết diện tròn);

L là chiều dài dây;

Các quy định về sóng hài

1.3.2.

Một tham số quan trọng để đánh giá sóng điều hoà là hệ số méo dạng (THD) THD điện áp, dòng điện là tỷ lệ giữa giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp, dòng điện với giá trị hiệu dụng của điện áp, dòng điện bậc cơ bản (theo đơn vị %), được tính theo công thức sau:

√∑ Trong đó:

THD: Tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện hoặc điện áp;

Xi: Giá trị hiệu dụng của sóng hài bậc i và n là bậc cao nhất của sóng hài cần đánh giá;

X1: Giá trị hiệu dụng tại bậc cơ bản (tần số 50 - 60 Hz)

Theo Quy định của Việt Nam [3]:

- Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn quy định trong bảng 1-2 như sau:

Bảng 1-2: Độ biến dạng sóng hài điện áp

Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ

Trường hợp đỉnh nhọn điện áp bất thường trên lưới điện phân phối trong thời gian ngắn vượt quá tổng mức biến dạng sóng hài quy định như trên thì phải đảm bảo không được gây hư hỏng thiết bị của khách hàng sử dụng lưới điện phân phối Giá trị cực đại cho phép của tổng độ biến dạng sóng hài dòng điện phụ tải gây

ra được quy định như sau:

- Đối với đấu nối vào cấp điện áp trung áp và hạ áp có công suất nhỏ hơn 50 kW: Giá trị dòng điện của sóng hài bậc cao không vượt quá 20 % dòng điện phụ tải

- Đối với đấu nối vào cấp điện áp cao áp hoặc các đấu nối có công suất từ 50

kW trở lên: Giá trị dòng điện của sóng hài bậc cao không vượt quá 12 % dòng điện phụ tải

Một số quy định trên thế giới

- Tiêu chuẩn IEEE-519/2014 [4]: Quy định giới hạn về độ méo dạng của điện

áp và dòng điện trong lưới điện phân phối ở các cấp từ dưới 1 kV đến 161 kV

Bảng 1-3: Độ méo dạng sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE – 519/2014

Cấp điện áp Tổng biến dạng (%) Biến dạng riêng lẻ (%)

Cấp điện áp Tổng biến dạng (%) Biến dạng riêng lẻ (%)

- Tiêu chuẩn IEC–61000-3-6/2008 [5]: Quy định giới về độ méo dạng riêng

lẻ của các cấp điện áp từ trung áp đến siêu cao áp như sau:

Bảng 1-4: Độ méo dạng điện áp theo tiêu chuẩn IEC – 61000- 3-6/2008

Sóng hài bậc lẻ không phải bội

của 3 Sóng hài bậc lẻ bội của 3 Sóng hài bậc chẵn

Bậc (h)

Độ biến dạng điện áp

(%)

Bậc (h)

Độ biến dạng điện

áp (%)

Bậc (h)

Độ biến dạng điện áp (%) Trung áp

Cao - Siêu cao áp

0,19*(10/h) +0,16

1.4 Một số kết quả khảo sát hiện tượng sóng hài

- Một số các khảo sát về tình trạng sóng hài ở Việt Nam đã được thực hiện bởi một số các đơn vị chuyên môn như Hội điện lực Việt Nam [6]

Bảng 1-5: Kết quả đo sóng hài tại miền Bắc

Tên trạm Đường dây / Xuất tuyến Tỷ số biến

Tên trạm Đường dây / Xuất tuyến Tỷ số biến

Bảng 1-6: Kết quả đo sóng hài tại miền Nam

Tên trạm Đường dây/xuất tuyến Tỷ số biến

- Khi phân tích các kết quả nhận được ta có thể đưa ra một số nhận xét sau:

 Xét trên toàn diện hệ thống điện của Việt Nam, mức độ ô nhiễm sóng hài đã vượt quá tiêu chuẩn của Việt Nam và quốc tế tương đối lớn