Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁC BỘ LỌC THỤ ĐỘNG CỘNG HƯỞNG ĐƠN VÀ BỘ LỌC KIỂU C

Chương 3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁC BỘ LỌC THỤ ĐỘNG CỘNG HƯỞNG ĐƠN VÀ BỘ LỌC KIỂU C

Tải bản đầy đủ - 0trang

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



-



-



-



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

tần số đó từ phụ tải phi tuyến gần nó nhất và cả từ các hệ thống lân cận, do

vậy sẽ dẫn tới quá dòng và có thể phá hỏng STF

Thơng thường, điện dung của tụ sẽ bị giảm dẫn theo thời gian, nguyên nhân

là do dầu trong lớp điện môi bị khô dần và điện mơi bị lão hóa, dẫn đến việc

tần số cộng hưởng ngày càng tăng lên và STF sẽ mất tác dụng, do vậy, STF

được thiết kề với tần số thấp hơn để bù lại lượng suy giảm điện dung của tụ,

được tính tốn theo tuổi thọ của STF, cùng với một lượng nhỏ nữa để tránh

quá dòng như giải thích trên.

Việc thiết kế với tần số cộng hưởng thấp hơn còn nhằm mục đích di chuyển

tần số cộng hưởng song song ra xa hơn tần số hài cần lọc, nếu cộng hưởng

song song (do tương tác giữa điện dung của tụ và phần điện cảm của hệ

thống) xảy ra, điện áp trên tải, thường là các chỉnh lưu điều khiển bị tăng cao

sẽ phá hỏng các linh kiện điện tử công suất trong mạch.



Chi tiết về vần đề này sẽ được đề cập thêm trong phần 3.2.2 dưới đây.

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

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

C-



= C,



C-



=



/`a

b`



− C)











(III.9)

(III.10)



Với h là bậc hài được thiết kế thì để đạt điều kiện cộng hưởng, cảm kháng và dung

kháng phải tương đương nhau, ta có:



Do đó ta có quan hệ:



ℎC)



= C,



C,







(III.11)







(III.12)







(III.13)



= ℎ . C)



Thay thế các biểu thức (III.11) và (III.12) vào các biểu thức (III.9) và (III.10), sau

khi biến đổi, ta sẽ có:



C, =



Biến đổi thêm, với C, =



C) =



e]`,



a



ac



ac



/`a

b`



/`a

bd



=



T_

a



và C) = PE M,



M=



a c h] b

f g

` d



/`a



34







(III.14)



ta cũng có:

(III.15)



F=



a

gc

a]

g `



.



bd



/`a







(III.16)



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

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



Với bộ lọc loại cộng hưởng đơn, thường xuất hiện cộng hưởng song song do tương

tác dao động giữa bộ lọc và điện kháng của phần nguồn cung cấp (LS trong hình

Hình 3.1), đặc điểm của cộng hưởng song song là gây ra một đỉnh trở kháng cao

nhìn từ phía tải, tại tần số hơi nhỏ hơn tần số cộng hưởng của bộ lọc như trên đồ thị

tần số-trở kháng dưới đây:



Hình 3.2 Hiện tượng cộng hưởng song song trên lưới có bộ lọc STF



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



Hii =



Z# )jk) ,







. 17



Trường hợp có nhiều bộ lọc STF được sử dụng, đồ thị sẽ xuất hiện nhiều đỉnh cộng

hưởng ở các tần số khác nhau, các đỉnh này có thể bị xê dịch trong quá trình vận

hành thực tế do sự biến thiên của L, C và Ls trong hệ thống (do sự cố, đứt chì của

tụ, thay đổi tổng trở phía nguồn do q trình cải tạo lưới, đóng ngắt các máy biến áp

ở phía nguồn, đóng cắt tụ bù ở phía tải ...)

Ảnh hưởng lớn nhất của sự thay đổi trở kháng phía nguồn là đỉnh trở kháng cao

được tạo thành bởi cộng hưởng song song. Việc đỉnh này rơi trùng vào tần số thiết

kế của STF sẽ làm cho trở kháng (lẽ ra phải rất thấp) tăng cao nhanh chóng và làm

mất tác dụng của STF.

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



35



-



Đứt chì hoặc nhảy thiết bị bảo vệ trên một nhóm tụ hoặc 1 pha, dẫn đến giảm

điện dung tổng 3 pha và làm tăng tần số cộng hưởng của STF;

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

Các thay đổi về kết cấu lưới cung cấp ở phía nguồn trong tương lai, dẫn tới thay

đổi trở kháng, điện cảm Ls, gây thay đổi điểm cộng hưởng song song;

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

mong muốn.



Do vậy, đối với các bộ lọc lớn, thường sử dụng các thiết bị phân tích để nhận biết

tình trạng hoạt động bình thường của STF và kịp thời xử lý khi có các thay đổi ảnh

hưởng đến tác dụng lọc hài của nó. Trong q trình thiết kế, có thể dùng Frequency

Scan, hoặc trong q trình vận hành cũng có thể dùng các thiêt bị chuẩn đốn online

để xác định các thơng số về cảm, dung của hệ thống.

b. Vấn đề hệ số chất lượng trong thiết kế STF



Hệ số chất lượng của một STF thể hiện độ tập trung hay độ sắc của đồ thị tại điểm

cộng hưởng (nghĩa là độ nhọn trên đồ thị của điểm Zmin , thể hiện ở biểu thức III.18),

nó cũng nói lên khả năng tiêu tán phần năng lượng đã hấp thụ được tại tần số cộng

hưởng, theo cách đánh giá của IEEE:

m=



E



E −E



. 18



Trong đó ωT là tần số cộng hưởng, ω1 và ω2 là tần số của dải tần ở về 2 phía của tần

số cộng hưởng mà ở đó đáp ứng cộng hưởng suy giảm 3 dB.

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

M

C,

2LH) M

F C)

m=

=

=

=



0

0

0

0



. 19



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



Hình 3.3 Minh họa về hệ số chất lượng của bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn.



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

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

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



-



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

36



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

Điện áp hiệu dụng

Dòng điện hiệu dụng

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

Công suất phản kháng (kVAR)



110%

135%

120%

135%



Cơng suất phản kháng có thể bị vượt thiết kế dưới tác dụng của hài, tỷ lệ với bình

phương của tỷ số áp hiệu dụng khơng méo và có méo.

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

,



=





ℎ −1



Công suất phản kháng hiệu quả của tụ:

o, =



!



,







. 20



. o,



. 21



!



Trong đó UHT là điện áp dây hệ thống, QCR là công suất phản kháng định mức của

tụ. Với sự có mặt của cuộn kháng, công suất phản kháng hiệu quả của STF được

tính theo cơng thức:



-



o- =



,



N, − N)







. 22



Cuộn kháng: cuộn kháng trong STF có thể là loại lõi sắt từ hoặc lõi khơng khí,

với điện áp cao thì lõi khơng khí thường được sử dụng, loại này cho đáp ứng

tuyến tính với tần số và dòng điện, tỷ số X/R tại 50 Hz thường lấy nhỏ hơn 150

để đảm bảo hệ số chất lượng.



Cuộn kháng phải có khả năng chịu quá áp do các sự cố hoặc quá độ do đóng cắt.

Cấp cách điện của nó thường được thiết kế tương đương với cấp cách điện của

MBA mà STF được nối vào.

Ngồi giá trị điện kháng được tính tốn ở đây, các giá trị khác cần được xác định và

đưa vào u cầu chế tạo:

-



Dòng cơ bản bình thường và sự cố

Phổ dòng hài

Dòng ngắn mạch

Tỷ lệ X/R

Điện áp hệ thống

Các yêu cầu về môi trường làm việc

3.2.3. Các bước thiết kế của STF



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



37



Hình 3.4 Qui trình thiết kế bộ lọc STF



a. Xác định phổ hài, biên độ tổng, biên độ các thành phần của hài tại các nút,

nhánh, các thông số của hệ thống như đáp ứng tần số - trở kháng... để quyết

định vị trí đặt bộ lọc tốt nhất.

Bộ lọc được đặt tại điểm có biên độ của thành phần hài cần lọc là lớn nhất,

thông thường là điểm gần tải phi tuyến nhất hoặc chính thanh cái mà tải phi

tuyến đó nối vào, nhằm ngăn khơng cho dòng hài lan tỏa lên phía trên của hệ

thống phân phối.

Với trường hợp có nhiều nguồn hài phân tán thì việc xác định vị trí có thành

phần hài cần lọc lơn nhát để đặt bộ lọc sẽ giúp nâng cao hiệu quả lọc hài.

b. Xác định dung lượng bù hiệu quả của STF:

Xuất phát từ mục tiêu thiết kế giá trị của tụ nhằm mục đích bù hệ số công suất

(Power Factor - PF) như thông thường, để có PF=0.9-0.95 (hiện nay theo yêu cầu

của EVN là PF>0.9)



Với:



o, = * 3pqrs − 3pqrs



38











. 23



-



s và s là góc lệch pha giữa dòng và áp tương ứng sau khi bù và trước



khi bù

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

* = . . Ftus = v. Ftus : Công suất tác dụng sau bù (kW),



Thực tế, trong một số trường hợp có phụ tải biến thiên, điện dung của STF chỉ được

tính tốn để tạo bù nền, phần còn lại sẽ do hệ thống bù chuyên dụng với nhiều cấp

điện dung được đóng ngắt tự động để đáp ứng với các biến thiên của hệ thống và

giữ cho PF luôn nằm trong dải cho phép.

c. Xác định tần số cộng hưởng

Theo IEEE 1531-1993, tần số cộng hưởng của STF được thiết kế thấp hơn từ 3-15%

của tần số hài cần lọc, việc này nhằm mục đích an tồn, tránh hiện tượng q dòng

do ảnh hưởng của các hệ thống lân cận .

ℎw = 0.85 − 0.97 . ℎ



. 24



Để đảm bảo các yêu cầu về cộng hưởng hệ thống, trong bước khảo sát, người ta

thường dùng phương pháp khảo sát đáp ứng tần số của hệ thống (Frequency Scan)

nhằm mục đích phát hiện các điểm cộng hưởng

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

C-



=



C,



=



o







. 25







. 26



e. Xác định điện kháng của phần dung và cảm ở tần số cơ bản



C)



=



ℎi

C

ℎi − 1 -



C,



ℎi







. 27



Với ℎw = ℎ . 0.85 − 0.97 là bậc hài thiết kế, đã tính đến hệ số an tồn theo IEEE

1531-1993, với mục đích tránh quá dòng nguy hiểm do cộng hưởng song song trong

hệ thống điện.

Như vậy ở đây ta đã xác định được giá trị cảm kháng và dung kháng của phần cảm

và dung tương ứng, có thể tính được giá trị điện cảm và điện dung tương ứng như

sau:

M=



F=



f.



C)



2GH



1

2GH. C,







xJ



Kiểm tra hiệu quả của STF trên lưới

39



. 28



. 29



Việc kiểm tra hiệu quả lọc hài của STF trên hệ thống hiện nay thường sử dụng các

Module tính tốn đã có sẵn trong Matlab/Simulink hoặc ETAP (sẽ được mô phỏng

ở chương cuối), ở đây chỉ giới thiệu về phương pháp tính toán hiệu quả lọc trên lưới

phân phối .

Xét các tham số đầu vào như sau:

-



Điện kháng bậc 1 của hệ thống: XHT(1)

Điện trở của hệ thống: RHT(1)



Dòng hài qua tải IT(h): giá trị này có được nhờ việc phân tích phổ hài trên tải, đây là

việc khảo sát cần thiết phải thực hiện trước khi thiết kế lọc hài, nếu giá trị này đã

nằm trong giới hạn cho phép thì không cần phải lọc hài nữa mà chỉ cần thiết kế bù

hệ số cơng suất là đủ

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

=



-



-



Nếu nối hình sao:



C,



=T



i



− C)



/Vyz



_ `



cTV `











. 30



. 31



Xác định cảm kháng và dung kháng tại tần số hài thiết kế:

C)



= ℎC)



C,



=







C,







. 32



. 33



(vì XLF và XCF đã được tính theo hs ở trên nên trong công thức này ta dùng h mà

không đưa hệ số an toàn vào nữa)

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

hình sau:



Hình 3.5 Mạch tương đương dùng để tính tốn hiệu quả lọc hài của STF



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

0!







= 0!









40



. 34



C!







= ℎ. C!



=



0!



(Điện trở không phụ thuộc vào tần số)







. 35



(bỏ qua các phần tử phi tuyến, điện kháng của hệ thống tỷ lệ với tần số)

Tổng trở của hệ thống:

N!



+ C!







. 36



Dựa trên các giá trị điện kháng và dòng hài tổng IT(h) đã biết, ta có thể tính được

phân bố dòng hài trên bộ lọc và trên phụ tải:

=



-



N!

+ C)



N!







. 37







. 38



− C,



.



Thực ra về mặt lý thuyết, nếu STF được thiết kế với hs = h thì điện kháng của cảm

và dung ở tần số hài sẽ bằng nhau, và toàn bộ dòng hài – về lý thuyết – sẽ chảy qua

STF, nhưng vì ở đây ta có sử dụng hệ số an tồn nên chỉ 1 phần dòng này chảy qua

STF, phần còn lại vẫn chảy qua tải và hệ thống phân phối (thứ cấp máy biến áp

phân phối) .

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

!



=







-



Dòng điện trên thiết bị (hoặc đoạn mạch phân phối) được bảo vệ bởi STF:

{{



=



v)



=



. 39



Và tỷ lệ % giữa dòng hài với dòng danh định trên thiết bị (hoặc phần mạch phân

phối được bảo vệ):

%



=



!



{{



. 100 %



. 40



Giá trị này dùng để so sánh với tiêu chuẩn, nếu đạt yêu cầu thì việc thiết kế STF kết

thúc, nếu khơng đạt thì cần lặp lại tính tốn với hệ số an tồn của hs, hoặc cơng suất

phản kháng Q1 , được hiệu chỉnh.

Một số trường hợp cần phải sử dụng kết hợp một số bộ lọc hài để lọc nhiều hơn 1

bậc hài mới đạt yêu cầu về tổng độ méo dạng dòng và áp.

41



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

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

, 1







=



= √2



,|



+



,|



+



,



,







Với điện áp trên tụ tại tần số cơ bản:

,|



= C,| .







,|



. 41



. 42



. 43



Dòng qua tụ được tính theo áp pha tối đa (5% lớn hơn mức danh định để tính tới

khả năng điều chỉnh điện áp trong hệ thống):

,|



= 1.05



)c)



√3 €

= 1.05 •

C,| − C)|



. 44







. 45







. 46



W•p‚



. 47



)c~



C,| − C)|



UCh được xác định dựa trên ICh, dựa trên kết quả đo hoặc trên phổ hài điển hình của

hệ thống:

,



= C, .



,



=



+



Dòng qua tụ phải nhỏ hơn 135% giá trị danh định của tụ, tính cho tần số cơ bản và

tần số hài được thiết kế:

, 1



,|



,



Và cuối cùng là, công suất phản kháng trên tụ phải nằm trong giới hạn cho phép của

IEEE:

o, =



, 1 , 1



1000



Nếu điều kiện kiểm tra khơng đạt, q trình cần được lặp lại để đảm bảo các điều

kiện vận hành của tụ nằm trong các giới hạn cho phép.

3.3. Bộ lọc hài thụ động kiểu C



3.3.1. Cấu trúc và các biểu thức tính tốn cơ bản

Cấu trúc cơ bản (cho 1 pha) của bộ lọc thụ động kiểu C ( C type passive harmonics

filter - CTF) được mơ tả trên hình 3.7, một đặc điểm của CTF là C và L được thiết

kế để cộng hưởng tại tần số cơ bản, do vậy ở tần số này, R gần như bị ngắn mạch và

không gây tổn hao do phát tán nhiệt trên R.

Tại tần số cao hơn, mạch LC ngả dần sang tính cảm, cùng với C1 tạo thành một

mạch lọc dùng để thoát bỏ các tần số hài cần được triệt xuống đất.

42



Về căn bản thì các bước thiết kế bộ lọc hài kiểu C cũng không khác so với kiểu

công hưởng đơn (STF), tuy nhiên do kết cấu và nguyên lý làm việc của 2 bộ lọc này

khác nhau nên chi tiết tính tốn trong từng bước có khác nhau.

Việc xác định công suất phản kháng cần thiết Q giống như trường hợp tính tốn

STF, với lưu ý trong một số trường hợp, nhất là với mạng hạ áp thì tác dụng bù

công suất phản kháng của CTF chỉ là bù nền.

Như vậy trước khi tính tốn thì các thơng số, U1, Q1, F(h) coi như đã biết.



Hình 3.6 Sơ đồ bộ lọc kiểu C



Bỏ qua thành phần điện trở của điện kháng L, các tổn thất điện môi trên tụ C, C1 thì

tổng trở của bộ lọc theo tần số có thể được tính như sau:

1

A.0

1

PEF

N E =

+



1

>PEM +

A + 0 PEF

PEF

>PEM +



c



1

1

=ƒ +



0 PEM − 1

PEF



Ta có >PEM +



e],



N E =



A=P



] a),c

],



−P



1



EF



. 48



, sau khi biến đổi, ta có tổng trở của mạch:



0 …E MF − 1† + P0 EF E MF − 1

1

− P



0EF + E MF − 1

EF



. 49



Theo nguyên tắc thiết kế của CTF, mạch LC phải cộng hưởng ở tần số cơ bản

(50Hz), tổng trở biểu kiến của mạch LC khi cộng hưởng xấp xỉ bằng 0 (chỉ còn

phần thuần trở của L), do vậy điện áp trên R bằng 0 và công suất tiêu tán trên nó

P=U2/I =0, điều này hạn chế tổn thất công suất trên R ở tần số cơ bản. Như vậy tại

tần số 50 Hz thì:

PE M =



1



PE F

43



. 50



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁC BỘ LỌC THỤ ĐỘNG CỘNG HƯỞNG ĐƠN VÀ BỘ LỌC KIỂU C

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×