Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 2 KIỂM SOÁT VÀ LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Chương 2 KIỂM SOÁT VÀ LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Tải bản đầy đủ - 0trang

Các giá trị giới hạn quy định phụ thuộc vào tỷ số của dòng ngắn mạch tại điểm PCC

(ISC), và dòng tải nhu cầu tối đa trung bình tính trong khoảng thời gian 12 tháng

(IL), vì các giới hạn ở đây tính theo THDI nên sẽ trở nên khắt khe hơn nếu tỷ số này

giảm xuống.

Bảng 2.1 của IEEE519-1992 quy định giới hạn độ méo điện áp do dòng phi tuyến

của tải phản ánh trên lưới phân phối, thông thường nếu hộ dùng điện đảm bảo được

độ méo dòng điện trong mức cho phép thì độ méo điện áp cũng sẽ đạt được.

Bảng 2.3 Độ méo điện áp cho phép



Điện áp thanh cái

tại điểm PCC

≤ 69 kV

69kV ≤U≤161kV

≥ 161 kV



Độ méo điện áp % của

từng thành phần sóng hài

3,0

1,5

1,0



Tổng độ méo điện

áp THDV%

5,0

2,5

1,5



Hình 2.2 Méo dạng áp cho phép với các lưới có cấp điện áp khác nhau



Tiêu chuẩn này tiếp tục được cập nhật, lần gần đây nhất là vào năm 2004, trong đó

các trường hợp áp dụng cụ thể để giới hạn các thành phần hài được đưa ra chi tiết

tại IEEE519.1, bản cập nhật này được đưa ra đánh giá áp dụng năm 2014.

Méo điều hòa thường phát sinh ở phía tiêu thụ hơn là phía cung cấp, cùng theo quy

định của tiêu chuẩn này, việc kiểm soát và hạn chế các thành phần hài ở mức độ cho

phép thuộc trách nhiệm của các hộ tiêu thụ.

Ở Việt Nam, vấn đề hài trên lưới được đề cập trong thông tư 39/2015/TT-BCT của

Bộ Công Thương về các yêu cầu đối với lưới điện phân phối, trong đó mức hài điện

áp không được vượt quá các giá trị sau:

Bảng 2.4 Tổng độ méo áp cho phép



Cấp điện áp

110 kV

Trung và hạ áp



Tổng biến dạng sóng hài

3%

6,5%

23



Biến dạng riêng lẻ

1,5%

3%



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 2 phương pháp chính là:

-



Sử dụng bộ lọc chủ động, tức là dùng kỹ thuật điện tử công suất để bơm các

thành phần thích hợp lên lưới nhằm triệt tiêu hài

Sử dụng các bộ lọc thụ động, tức là dùng các hệ thống R-L-C hoặc bằng các

phương pháp đấu nối để ngăn chặn hài lan tỏa trên lưới



Ngồi ra , hài còn được giảm thiểu bằng một số thay đổi trên các thơng số của lưới

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

2.1.1. 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 (tổng mức hài) 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

2.1.2. Tăng cơng 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.

2.1.3. Sử dụng các cuộn kháng lọc nối tiếp



Hình 2.3 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

24



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 2.4 Cuộn kháng hạ thế



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 khơng thể lấy cao được vì sẽ gây ra sụt áp

làm giảm điện áp trên động cơ.

2.1.4. Dùng biến áp cách li

Tương tự như cuộn kháng, biến áp cách li cũng làm tăng trở kháng đối với các

thành phần hài, ở tần số cơ bản, trở kháng của nó đủ nhỏ để cung cấp điện cho tải.

Biến áp cách li thường có tổ nối dây tam giác/sao để triệt các hài bậc 3 và bội 3.

Thường có màn chắn nối đất giữa 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp, điện dung của màn

chắn và cuộn dây cũng tạo đường thốt các thành phần tần số cao, khơng cho lan

truyền trên lưới.



25



Hình 2.5 Máy biến áp cách li



Nếu được lựa chọn tốt, biến áp cách li 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 li an toàn giữa sơ cấp và thứ cấp. Do vậy biến áp cách li 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 li 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.

2.1.5. 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 2.6:



Hình 2.6 Bộ lọc thơng thấp



Về ngun lí thì lọc thông thấp chỉ cho các tần số nhỏ hơn một tần số giới hạn đi

qua và làm suy giảm những tần số cao hơn ngưỡng này.

Các cuộn kháng nối tiếp làm suy giảm các bậc hài như đã phân tích ở mục 2.1.3, và

cũng làm thay đổi cộng hưởng của mạch LC khỏi tần số của hài cả về phía nguồn và

tải, tránh sự thu hút hài từ các mạch lân cận . Ngồi ra nó cũng giúp giảm thiểu khả

năng bị cộng hưởng với các phần tử cảm/dung khác trong hệ thống, mạch LC được

dùng để loại các bậc hài còn lại (chủ yếu là bậc 5, 7..)



26



2.1.6. Bộ lọc thụ độộng kiểu C



Hình 2.7 Bộ lọc thụ động kiểu chữ C



Cấu trúc chung của bộ lọcc ch

chữ C như Hình 2.7.

Tụ Ca và cảm Lm cộng hưởng

ng tại

t tần số cơ bản, do vậy ở 50Hz, thành ph

phần điện trở

R gần như bị ngắn mạch

ch và không sinh ra ttổn hao trên điện trở này. Lúc này chỉ

ch còn

điện dung Cm tham gia vào mạch như một tụ bù, cung cấp công suấtt ph

phản kháng

làm tăng hệ số công suất củủa hệ thống.

Tại các tần số cao hơn

ơn sinh ra do hài, dung kháng Ca nhỏ trong khi cảảm kháng Lm

lại lớn, bộ lọc kiểu chữ C ho

hoạt động theo nguyên lý của lọcc thông cao, ngh

nghĩa là nó

chỉ để lại tần số cơ bản,

n, các ttần số hài cao hơn tần số cắt của nó sẽ bị suy giảm do

tiêu tán trên R.



Hình 2.8 Một hệ thống

ng llọc hài thụ động trên lưới phân phối 110kV (Ba Lan)



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

chươ sau.

2.1.7.



Các bộ chỉnh

nh lư

lưu 12 xung và 18 xung



Thực chất của phương

ương pháp này là dùng m

một số cách thiết kế đặc biệtt đđể giảm các

bậc hài có tỷ lệ lớnn trong các bbộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển.



27



Hình 2.9 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 = W. X ± 1



Với K là số nguyên và p là số xung trong một chu kỳ chỉnh lưu.



Hình 2.10 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 thơng 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.



28



Hình 2.11 Minh họa đơn giản về tác dụng khử hài bậc 5 và 7 trong hệ 6 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.

Ngồi 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 2.12 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.



29



2.1.8. Hệ thống lọc tích cực

Lọc tích cực là phương pháp mới nhất và tiên tiến nhất trong việc loại bỏ các thành

phần hài, trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật điện tử công suất.

Hệ thống lọc tích cực có cấu trúc như Hình 2.13:



Hình 2.13 Sơ đồ bộ lọc tích cực



Các tín hiệu dòng điện và điện áp của tải được đưa đến bộ vi xử lý, trước khi xử lý

thì thành phần cơ bản (50 Hz) sẽ được lọc bỏ, các thành phần còn lại sẽ được phân

tích về tần số, biên độ và góc pha. Bộ xử lý sẽ đưa tín hiệu ra lệnh cho phần mạch

cơng suất bơm một dòng điện thích hợp lên lưới với chiều ngược lại để triệt tiêu các

thành phần hài. Các bộ lọc tích cực hiện nay có thể lọc được hài đến bậc 50, tổng

méo dòng sau khi lọc THD-I còn lại nhỏ hơn 5%

Phần cơng suất của các bộ lọc tích cực thường sử sụng các Transistor tác động

nhanh IGBT, nối trực tiếp trên thanh cái phần nguồn. Sự chuyển mạch của các

IGBT này cũng tạo ra một số xung nhiễu nên nếu cung cấp điện cho các loại tải có

độ nhạy cảm thì những xung này cũng cần được lọc bỏ bởi các bộ lọc thông dải.

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 2.14 Bộ lọc tích cực của hãng Schneider Electric

30



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 ở thời điểm hiện tại là 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.



31



Chương 3



PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TỐN THƠNG SỐ CÁC BỘ LỌC THỤ

ĐỘNG 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 thiết

kế dạng cộng hưởng đơn, tạo ra một lối thốt có trở kháng thấp đối với tần số hài

được tính tốn và kiểu lọc dải thơng (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.

Chương này đề cập đến phương pháp thiết kế và lựa chọn các phần tử của bộ lọc

thụ động, chủ yếu là loại cộng hưởng đơn và loại C. Q trình tính tốn cơ bản dựa

trên các hướng dẫn thiết kế của IEEE cũng như thực tiễn tại một số dự án.

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 thơng 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 cơng suất phản kháng, nâng cao hệ số công

suất như một hệ thống tụ bù truyền thống.



Hình 3.1 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, ngồi ra còn có

đóng góp của thành phần điện trở R được tạo bởi điện trở thuần của cuộn kháng và

cáp dẫn. Bộc lọc STF được thiết kế để cộng hưởng và tạo một đường thoát cho tần

số hài được tính tốn để lọc bỏ. Tần số cộng hưởng được tính:



32



Trong đó:

-



H



=



Z √),



(III.1)



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 tốn cho thấy với giá 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:

N = 0 + [ \EM −



],



^



(III.2)



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:

C) = ℎE)



C, =



(III.3)



]_



(III.4)



Để cộng hưởng xảy ra, tại tần số cộng hưởng đó, dung kháng và cảm kháng phải

tương đương nhau:

C) = C,



(III.5)



Thay thế các giá trị trong phương trình (III.3) và (III.4) vào (III.5) ta có:



Và:



ℎE) =

ℎ =

ℎ=



T_

TV



]_



(III.6)

(III.7)



T_

TV



(III.8)



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:

33



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 2 KIỂM SOÁT VÀ LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×