Effect of fault resistance on fault location function of distance protection nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở sự cố đến chức năng định vị sự cố rơle bảo vệ khoảng cách
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.83 MB, 79 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------
NGUYỄN ĐỨC TRUNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG
DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
Hà Nội - Năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------
NGUYỄN ĐỨC TRUNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG
DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN XUÂN TÙNG
Hà Nội, năm 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử
dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các
trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả
Nguyễn Đức Trung
1
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Xuân Tùng,
giảng viên Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội,
ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo
Sau đại học, Viện Điện, thƣ viện Tạ Quang Bửu cùng các giảng viên Trƣờng Đại
học Bách khoa Hà Nội đã hƣớng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình học tập tại
trƣờng.
Để có đƣợc ngày hôm nay tôi không thể không nhắc đến những ngƣời thân
trong gia đình đã tạo một hậu phƣơng vững chắc giúp tôi yên tâm hoàn thành công
việc và nghiên cứu của mình.
Cuối cùng tôi xin gửi tới toàn thể bạn bè và đồng nghiệp lời biết ơn chân thành
về những tình cảm tốt đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi ngƣời đã dành cho tôi
trong suốt thời gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài này.
Tác giả
Nguyễn Đức Trung
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................7
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................8
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG
HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .............................................................................12
1.1. Phân loại chất lƣợng điện năng.......................................................................12
1.2. Khái niệm về sóng hài ....................................................................................14
1.3. Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện ..........................................15
1.4. Các tiêu chuẩn khuyến cáo về mức độ sóng hài trong hệ thống điện.............16
1.5. Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện .........................................18
1.5.1. Các máy biến áp .......................................................................................19
1.5.2. Các động cơ ..............................................................................................19
1.5.3. Các thiết bị điện tử công suất ...................................................................20
1.5.4. Các thiết bị hồ quang ................................................................................20
1.6. Ảnh hƣởng của sóng hài tới hệ thống và các thiết bị .....................................21
1.6.1. Hiện tƣởng cộng hƣởng tại tần số sóng hài ..............................................21
1.6.2. Ảnh hƣởng tới các động cơ và máy biến áp .............................................24
1.6.3. Ảnh hƣởng tới hệ số công suất .................................................................24
1.6.4. Ảnh hƣởng tới các bộ tụ bù ......................................................................25
1.6.5. Ảnh hƣởng tới thiết bị bảo vệ ...................................................................25
1.6.6. Ảnh hƣởng tới thiết bị đo đếm .................................................................25
CHƢƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN .........................................................................................................................27
2.1. Tổng quan về các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện .................27
2.2. Các bộ lọc sóng hài thụ động ..........................................................................28
3
2.2.1. Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp ...................................................................28
2.2.2. Bộ lọc thụ động kiểu song song ...............................................................29
2.3. Các bộ lọc sóng hài tích cực ...........................................................................29
2.3.1. Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu song song ............................................29
2.3.2. Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu nối tiếp ................................................30
2.4. Các bộ lọc hỗn hợp (kiểu lai ghép) .................................................................31
2.5. So sánh giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động ..........................................31
2.6. Các loại bộ lọc thụ động phổ biến ..................................................................32
2.7. Hƣớng nghiên cứu của luận văn .....................................................................36
CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC CỘNG HƢỞNG ĐƠN DỰA
THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG THỰC TẾ ................................................................37
3.1. Qui trình chung để thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động [7] ...............................37
3.2. Các tham số cần lựa chọn trƣớc đối với bộ lọc cộng hƣởng ..........................40
3.2.1. Lựa chọn hệ số chất lƣợng Q cho bộ lọc. .................................................40
3.2.2. Lựa chọn tần số cộng hƣởng cho bộ lọc ...................................................41
3.3. Các phƣơng trình sử dụng trong tính toán thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng
hƣởng đơn ..............................................................................................................43
CHƢƠNG 4 KIỂM NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA BỘ LỌC CỘNG HƢỞNG
ĐƠN ..........................................................................................................................47
4.1 Mô tả hệ thống .................................................................................................47
4.2. Mô phỏng sơ đồ lƣới điện tính toán bằng phần mềm PSCAD .......................54
4.2.1. Giới thiệu sơ lƣợc về phần mềm PSCAD ................................................54
4.2.2. Mô phỏng sơ đồ lƣới điện bằng phần mềm PSCAD ................................55
4.3. Tính toán thông số của bộ lọc .........................................................................58
4.3.1. Tính toán thiết kế bộ lọc sóng hài bậc 5 ...................................................59
4.3.2. Tính toán bổ sung thêm bộ lọc hài bậc 7 ..................................................66
4.3.3.Kiểm tra sự làm việc của bộ lọc đã thiết kế trong trƣờng hợp vận
hành100% tải: .....................................................................................................68
4.3.4. Tính toán lắp đặt bổ sung bộ tụ bù: ..........................................................71
4
CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................75
5.1. Kết luận ...........................................................................................................75
5.2. Hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................77
5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CSPK
: Công suất phản kháng
CSTD
: Công suất tác dụng
CLĐN
: Chất lƣợng điện năng
HTĐ
: Hệ thống điện
MBA
: Máy biến áp
THDV
: Tổng độ méo sóng hài điện áp
THDi
: Tổng độ méo sóng hài dòng điện
6
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân loại các hiện tƣợng liên quan đến chất lƣợng điện áp theo tiêu chuẩn
IEEE 1159 - 1995 ......................................................................................................12
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn về độ méo điện áp theo Thông tƣ 12 và 32 ...........................17
Bảng 1.3: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống phân phối ..........................17
Bảng 1.4: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện ...................18
Bảng 1.5: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện (<161kV), có
nguồn phát phân tán ..................................................................................................18
Bảng 1.6: Phổ tần của sóng hài phát sinh bởi lò hồ quang ....................................... 20
Bảng 2.1: Phổ tần của dòng điện khi sử dụng chỉnh lƣu 6 và 12 xung ..................... 27
Bảng 4.1: Tổng hợp số liệu đo lƣờng ........................................................................52
Bảng 4.2: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 (Chế độ 80% tải).....64
Bảng 4.3: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ 80%
tải)..............................................................................................................................68
Bảng 4.4: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ
100% tải). ..................................................................................................................70
Bảng 4.5: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ
100% tải). ..................................................................................................................72
7
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng. ............................................15
Hình 1.2: Sóng bị méo dạng và phân tích Furier tƣơng ứng ..................................... 15
Hình 2.1: Mạch chỉnh lƣu có sử dụng cuộn kháng điều hòa ....................................27
Hình 2.2: Bộ lọc thụ động nối tiếp ............................................................................28
Hình 2.3: Bộ lọc thụ động song song ........................................................................29
Hình 2.4: Bộ lọc tích cực bù ngang...........................................................................30
Hình 2.5: Bộ lọc tích cực bù dọc...............................................................................30
Hình 2.6: Bộ lọc hỗn hợp thông dụng .......................................................................31
Hình 2.7: Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến. ......................................32
Hình 2.8: Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hƣởng đơn ........................33
Hình 2.9: Đặc tính tổng trở của các loại bộ lọc thụ động phổ biến .......................... 36
Hình 3.1: Cấu hình hệ thống có thiết bị lọc sóng hài thụ động .................................37
Hình 3.2: Lƣợc đồ thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động ................................................39
Hình 3.3: Bộ lọc cộng hƣởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số ..........................40
Hình 3.5: Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến ..............................42
Hình 3.6: Các tần số cộng hƣởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống ..... 42
Hình 4.1: Ảnh chụp toàn cảnh bộ mô phỏng hệ thống điện......................................47
Hình 4.2: Tải phi tuyến trên bộ mô phỏng hệ thống điện. ........................................48
Hình 4.3: Sơ đồ lƣới điện và tải phi tuyến trên bộ mô phỏng ...................................48
Hình 4.4: Sơ đồ một sợi của lƣới điện. .....................................................................49
Hình 4.5: Vị trí điểm đo độ méo dòng điện (vị trí TP19) .........................................50
Hình 4.6: Thiết bị đo chất lƣợng điện năng Fluke 435 .............................................50
Hình 4.7: Sơ đồ toàn cảnh đấu nối thiết bị đo và lƣới điện cần khảo sát ..................52
Hình 4.8: Dạng sóng dòng điện.................................................................................53
Hình 4.9: Dạng sóng điện áp (điện áp dây) ...............................................................53
Hình 4.10: Giao diện chính của phần mềm PSCAD. ................................................54
Hình 4.11: Sơ đồ một sợi lƣới điện tính toán. ...........................................................55
8
Hình 4.12: Sơ đồ mô phỏng lƣới điện tính toán bằng phần mềm PSCAD ...............56
Hình 4.13: Độ lớn dòng ngắn mạch 3 pha tại TP17 ....................................................56
Hình 4.14: Chu trình tính toán và kiểm tra bộ lọc. ...................................................59
Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng với bộ lọc bậc 5(Chế độ 80% tải) ................................62
Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng với bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (chế độ 80% tải) .................67
Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng với bộ lọc hài bậc 5, bậc 7 và bộ tụ (chế độ 100% tải).
...................................................................................................................................71
9
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Một trong những vấn đề về chất lƣợng điện năng phổ biến trong hệ thống điện
là sóng hài và sụt áp ngắn hạn. Sóng hài đƣợc sinh ra và lan truyền trong hệ thống
do việc sử dụng các tải phi tuyến, các thiết bị điện tử công suất; các thiết bị hồ
quang và phóng điện (lò hồ quang điện, đèn phóng điện); các thiết bị điện tử công
suất (các bộ nghịch lƣu, biến tần).
Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây nhiều vấn đề đối với các thiết bị có lõi
từ nhƣ gây phát nóng quá mức, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá tải
dây trung tính, ảnh hƣởng tới các bộ điều khiển thiết bị. Giải pháp loại trừ sóng hài
trong hệ thống điện có thể chia ra ba nhánh chính: Sử dụng bộ lọc thụ động, sử
dụng bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép giữa hai dạng này. Bộ lọc tích cực và bộ lọc
lai ghép có khả năng loại trừ hầu hết các sóng hài phát sinh, tuy nhiên giá thành các
thiết bị này còn đắt và kèm theo chi phí bảo dƣỡng cao.
Luận văn đi sâu phân tích về việc sử dụng thiết bị lọc sóng hài thụ động (gồm
các thành phần R, L, C) để loại trừ các sóng hài trong lƣới điện phân phối. Trong
luận văn này sẽ tính toán thiết kế các bộ lọc dựa trên các số liệu đo lƣờng thực tế.
2. Lịch sử nghiên cứu
Các bộ lọc song hài thụ động đã đƣợc nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới, tuy
nhiên tại Việt Nam, các công trình công bố chƣa cho thấy có các nghiên cứu nào thể
hiện qui trình và các bƣớc tính toán cần thiết cho các loại bộ lọc thụ động với điều
kiện dựa trên số liệu đo lƣờng thu thập đƣợc từ các thiết bị đo.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu về chất lƣợng điện năng trong lƣới
phân phối, tuy nhiên tập trung vào ảnh hƣởng của sóng hài tới các thiết bị và vận
hành của lƣới điện và các giải pháp. Phần nội dung chính của luận văn sẽ mô tả chi
tiết phƣơng thức tính toán thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động kiểu cộng hƣởng đơn
dựa trên số liệu đo lƣờng thu thập đƣợc. Phần áp dụng đƣợc thực hiện với các số
10
liệu đo trực tiếp từ bộ mô phỏng hệ thống điện và tính toán kiểm nghiệm đƣợc thực
hiện trên mô phỏng PSCAD với thông số của mô hình thuộc bộ mô phỏng hệ thống
điện.
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản
Nội dung chính của luận văn bao gồm các mục sau: Phân loại các hiện tƣợng
về chất lƣợng điện năng; Các nguồn phát sinh sóng hài và các ảnh hƣởng của sóng
hài; Các phƣơng pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện (tập trung phân tích về
bộ lọc thụ động); Phƣơng pháp tính toán lựa chọn bộ lọc theo số liệu đo thực tế;
Kiểm nghiệm bằng mô phỏng sự làm việc của các bộ lọc đã tính toán.
Để thực hiện các nội dung này thì luận văn đƣợc chia làm 5 chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1:
Giới thiệu chung về chất lƣợng điện năng và sóng hài trong
hệ thống điện;
Chƣơng 2:
Các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện;
Chƣơng 3:
Tính toán thiết kế bộ lọc cộng hƣởng đơn dựa theo số liệu đo
lƣờng thực tế;
Chƣơng 4:
Kiểm nghiệm sự làm việc của bộ lọc cộng hƣởng đơn;
Chƣơng 5:
Kết luận và kiến nghị.
5. Các đóng góp mới của tác giả
Nội dung nghiên cứu của luận văn đã có đóng góp trong việc tính toán bộ lọc
dựa trên số liệu đo lƣờng thực tế và có xét đến ràng buộc về mức tải và mức độ méo
sóng hài trong các trạng thái vận hành khác nhau.
11
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN
NĂNG VÀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Phân loại chất lƣợng điện năng
Khái niệm chất lƣợng điện năng đƣợc áp dụng vào rất nhiều các hiện tƣợng
điện từ trong hệ thống điện. Việc ứng dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử
càng làm tăng sự quan tâm về chất lƣợng điện năng và đi kèm với đó là xác định
các thuật ngữ để phân loại các hiện tƣợng chất lƣợng điện năng. Theo tiêu chuẩn
IEEE 1159 - 1995, các hiện tƣợng điện từ trong hệ thống điện liên quan đến việc
đánh giá chất lƣợng điện năng đƣợc phân loại nhƣ sau [1, 2]:
Có thể phân loại các vấn đề của chất lƣợng điện năng một cách sơ bộ bao
gồm:
Mất cân bằng dòng điện & điện áp;
Sụt giảm điện áp, mất điện áp;
Chớp nháy điện áp;
Quá độ điện áp;
Sóng hài.
Theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995, các hiện tƣợng chất lƣợng điện năng có thể
đƣợc phân loại nhƣ sau:
Bảng 1.1: Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp theo tiêu
chuẩn IEEE 1159 - 1995
Loại
Dải tần
Thời gian tồn tại
Biên độ
1. Quá độ
1.1.
Quá độ xung
1.1.1. Nanosecond
< 50 ns
1.1.2. Microsecond
50 ns - 1 ms
1.1.3. Milisecond
1.2.
> 1 ms
Quá độ dao động
1.2.1. Tần số thấp
< 5 kHz
0,3 - 50 ms
0 - 4 pu
1.2.2. Tần số trung bình
5 - 500 kHz
20 micro giây
0 - 8 pu
1.2.3. Tần số cao
0,5 - 6 MHz
5 micro giây
0 - 4 pu
12
Loại
Thời gian tồn tại
Biên độ
2.1.1. Gián đoạn
0,5 - 30 chu kỳ
< 0,1 pu
2.1.2. Giảm
0,5 - 30 chu kỳ
0,1 - 0,9 pu
2.1.3. Tăng
0,5 – 30 chu kỳ
1,1 - 1,8 pu
2.2.1. Gián đoạn
30 chu kỳ - 3 s
< 0,1 pu
2.2.2. Giảm
30 chu kỳ - 3 s
0,1 - 0,9 pu
2.2.3. Tăng
30 chu kỳ - 3 s
1,1 - 1,4 pu
2.3.1. Gián đoạn
3 sec - 1 min
< 0,1 pu
2.3.2. Giảm
3 sec - 1 min
0,1 - 0,9 pu
2.3.3. Tăng
3 sec - 1 min
1,1 - 1,2 pu
2.
Biến đổi ngắn hạn
2.1.
Biến đổi tức thời
2.2.
2.3.
Dải tần
Biến đổi chốc lát
Biến đổi tạm thời
3.
Biến đổi dài hạn
3.1.
Gián đoạn duy trì
> 1 min
0 pu
3.2.
Kém điện áp
> 1 min
0,8 - 0,9 pu
3.3.
Quá điện áp
> 1 min
1,1 - 1,2 pu
4.
Điện áp không cân bằng
Trạng thái ổn định
0,5 - 2%
5.
Biến dạng sóng điện áp
5.1.
Thành phần 1 chiều
Trạng thái ổn định
0 - 0,1%
5.2.
Hài bậc cao (Harmonics)
Trạng thái ổn định
0 - 20%
5.3. Nội điều hòa
(Interharmonics)
Trạng thái ổn định
5.4. Nhiễu do trùng dẫn
(Notching – hoặc tên gọi khác là
“Đột điện áp”)
Trạng thái ổn định
5.5. Do các thành phần khác
(Noise)
Trạng thái ổn định
6. Dao động điện áp
< 25 Hz
7. Biến đổi tần số
Không liên tục
0 - 2%
0 - 1%
0,1 - 7%
< 10 sec
Một cách trực quan có thể tổng hợp phân loại các hiện tƣợng chất lƣợng điện
năng nhƣ sau:
13
1.2. Khái niệm về sóng hài
Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn, xuất hiện dƣới dạng các dòng
điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thƣờng
đƣợc gọi là tần số sóng cơ bản). Các dòng điện, điện áp bị méo có thể đƣợc phân
tích thành tổng của sóng có tần số cơ bản và các thành phần sóng hài. Các thành
phần sóng hài này do các tải phi tuyến sinh ra.
Công cụ toán học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu
kỳ là phân tích Fourier. Phƣơng pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo,
14
có chu kỳ (không sin) thì có thể phân tích đƣợc thành tổng của các dạng sóng điều
hòa hình sin, chúng bao gồm:
-
Sóng hình sin với tần số cơ bản;
-
Các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, là bội của tần số cơ bản.
Hình 1.1: Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng.
Trong trƣờng hợp lý tƣởng, tất cả những sóng điện áp và dòng điện trong hệ
thống điện có dạng hình sin với tần số là tần số cơ bản.Tuy nhiên, điện áp và dòng
điện thực tế trong hệ thống điện không thuần túy hình sin.Khi đó, sóng điện áp và
dòng điện là tổng của sóng điều hòa cơ bản và các sóng điều hòa có bậc là bội số
của sóng cơ bản.
Dạng sóng méo ở hình dƣới đây đƣợc phân tích thành một thành phần sóng cơ
bản và thành phần sóng hài bậc 3, bậc 5 (hình 1.2).
Hình 1.2: Sóng bị méo dạng và phân tích Furier tương ứng
1.3. Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện
Thƣờng sử dụng hai đại lƣợng đặc trƣng cho sóng hài là:
15
-
Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distortion - THD);
-
Tổng độ méo nhu cầu (Total Demand Distortion- TDD).
Cả hai chỉ số này đều có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng điện và điện áp.
a. Tổng độ méo sóng hài (áp dụng cho điện áp và dòng điện, ký hiệu THDV và
THDi): là tỷ lệ của điện áp (dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng
của điện áp (dòng điện) tần số cơ bản, tính theo phần trăm (%).
THDV
Vi 2
V1.100
THDi
%
I i2
I1.100
%
Trong đó:
Vi, Ii: Là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện của các sóng hài
bậc i (i = 2, 3…).
V1, I1: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại tần số cơ bản
(50Hz).
b. Tổng độ méo nhu cầu (ký hiệu TDDvvà TDDi): là tỷ lệ của điện áp (dòng
điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dòng điện) tần số cơ
bản.
TDDV
Vi 2
Vdinhmuc .100
TDDi
%
I i2
I dinhmuc .100
%
Cách tính toán hệ số TDD gần tƣơng tự nhƣ áp dụng đối với THD, tuy nhiên
mức độ méo sóng diễn tả theo tỷ lệ phần trăm của dòng điện (điện áp) định mức
hoặc dòng điện (điện áp) cho phép lớn nhất.
1.4. Các tiêu chuẩn khuyến cáo về mức độ sóng hài trong hệ thống điện
Thông tƣ 12 và 32 của Bộ Công thƣơng đƣa ra giới hạn cho phép đối với tổng
mức độ méo sóng điện áp và của từng mức sóng hài riêng lẻ: Tổng độ méo điện áp
tại mọi điểm đấu nối không đƣợc vƣợt quá giới hạn, qui định tại các Thông tƣ số
12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng 4 năm 2010 và Thông tƣ số 32/2010/TTBCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm 2010 nhƣ sau [3]:
16
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn về độ méo điện áp theo Thông tư 12 và 32
Cấp điện áp
Tổng biến dạng sóng hài
Biến dạng riêng lẻ
500kV, 220kV
3%
-
110kV
3%
1,5%
6,5%
3%
Trung và hạ áp
Bên cạnh đó tiêu chuẩn IEEE 519-1992 đƣa ra các khuyến cáo cụ thể hơn,
mức độ méo sóng hài cho phép còn phụ thuộc vào công suất ngắn mạch của nguồn
cấp (công suất ngắn mạch tính tới thanh cái có tải phi tuyến nối vào). Chi tiết của
tiêu chuẩn IEEE 519-1992 nhƣ sau [4]:
Bảng 1.3: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống phân phối
chung (có điện áp từ 120V tới 69000 V)
Độ méo sóng hài lớn nhất của dòng điện trong tỷ lệ của IL
Sóng hài bậc lẻ
11 ≤ h ≤ 17 17≤ h ≤23 23≤h ≤35
35≤h
TDD
0.6
0.3
5.0
2.5
1.0
0.5
8.0
4.5
4.0
1.5
0.7
12.0
12.0
5.5
5.0
2.0
1.0
15.0
15.0
7.0
6.0
2.5
1.4
20.0
ISC/IL
<11
<20
4.0
2.0
1.5
20<50
7.0
3.5
50<100
10.0
100<1000
>1000
Sóng hài bậc chẵn đƣợc giới hạn đến 25% của giới hạn trên của sóng hài bậc lẻ.
Tất cả thiết bị phát công suất đƣợc giới hạn đến những giá trị của độ méo dòng
điện, đƣợc tính ISC/IL.
Trong đó:
ISC : Dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trí điểm kết nối chung;
IL : Nhu cầu tối đa của dòng điện tải (thành phần tần số cơ bản) tại vị trí điểm
kết nối chung.
17
Bảng 1.4: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện
(có điện áp từ 69001V tới 161000 V)
Độ méo sóng hài lớn nhất của dòng điện trong tỷ lệ của IL
Sóng hài bậc lẻ
11 ≤ h ≤ 17 17≤ h ≤23 23≤h ≤35
35≤h
TDD
0.3
0.3
2.5
1.25
0.5
0.5
4.0
2.25
2.0
0.75
0.7
6.0
6.0
2.75
2.5
1.0
1.0
7.5
7.5
3.5
3.0
1.25
1.4
10.0
ISC/IL
<11
<20
2.0
1.0
0.75
20<50
3.5
1.75
50<100
5.0
100<1000
>1000
Sóng hài bậc chẵn đƣợc giới hạn đến 25% của giới hạn trên của sóng hài bậc lẻ.
Tất cả thiết bị phát công suất đƣợc giới hạn đến những giá trị của độ méo dòng
điện, đƣợc tính ISC/IL.
Trong đó:
ISC : Dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trí điểm kết nối chung.
IL : nhu cầu tối đa của dòng điệntải (thành phần tần số cơ bản)
tại vị trí điểm kết nối chung.
Bảng 1.5: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện (<161kV), có
nguồnphát phân tán
Sóng hài bậc lẻ
ISC/IL
<11
11 ≤ h ≤ 17
17 ≤ h ≤23
23≤ h ≤35
35≤h
TDD
<50
2.0
1.0
0.75
0.3
0.15
2.5
≥50
3.0
1.5
1.15
0.35
0.22
3.75
1.5. Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện
Sóng hài đƣợc phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, một cách tổng quát nguồn
phát sinh sóng hài có thể do các yếu tố sau:
-
Các tải phi tuyến (quan hệ giữa điện áp đặt vào và dòng điện chạy qua tải
không tuyến tính);
-
Các thiết bị có lõi từ làm việc ở vùng bão hòa (máy biến áp, cuộn kháng, động
cơ…);
18
-
Các thiết bị điện tử công suất có các mạch chỉnh lưu đầu vào và các mạch
đóng cắt bằng các van thyristor;
-
Các lò hồ quang hoặc hàn hồ quang.
1.5.1. Các máy biến áp
Hiện tƣợng bão hòa mạch từ là một nguyên nhân gây ra sóng hài. Khi biên độ
điện áp từ thông đủ lớn (hiện tƣợng quá từ thông) để rơi vào vùng không tuyến tính
trên đƣờng cong B-H của mạch từ sẽ dẫn đến dòng điện bị méo dạng và chứa thành
phần sóng hài mặc dù sóng điện áp đặt vào vẫn là hình sin.
Các máy biến áp đƣợc thiết kế hoạt động tại vùng tuyến tính của đƣờng cong
từ hóa với dòng từ hóa chiếm khoảng 1-2% dòng định mức. Tuy nhiên khi điện áp
tăng dẫn tới điểm làm việc rơi vào vùng phi tuyến, hệ quả là dòng từ hóa tăng mạnh
và bị méo dạng sóng
trở thành nguồn phát sóng hài.
Điện áp tăng có thể do vận hành non tải với mạng cáp, hoặc do đóng cắt các
nguồn CSPK lớn nhƣ các bộ tụ hoặc kháng…
Trong phạm vi làm việc bình thƣờng, sóng hài sinh ra sự méo dạng sóng của
dòng từ hóa là không đáng kể. Tuy nhiên khi đóng máy biến áp hoặc vận hành ở
quá điện áp thì mức độ sóng hài có thể tăng lên đáng kể.
Mặc dù dòng kích thích của máy biến áp lực chứa nhiều thành phần sóng hài,
trong thực tế nó vẫn nhỏ hơn 1-2% giá trị của dòng điện khi đầy tải. Tuy nhiên, ảnh
hƣởng của chúng có thể thấy rõ khi trong hệ thống truyền tải có nhiều máy biến áp.
Ta có thể thấy độ lớn của sóng hài bậc ba thƣờng tăng lên đáng kể khi mà các máy
biến áp làm việc non tải và điện áp tăng. Khi đó, dòng điện kích thích tăng lên, do
đó trị số sóng hài cũng tăng lên.
1.5.2. Các động cơ
Tƣơng tự nhƣ máy biến áp, động cơ cũng có lõi từ và khi hoạt động cũng có
thể sinh ra các thành phần sóng hài, tuy nhiên chủ yếu là hài bậc 3. Các hình dƣới
cho thấy dạng sóng bị méo của một số thiết bị dân dụng có sử dụng động cơ (máy
lạnh, điều hòa...). Các động cơ có khe hở trong mạch từ do vậy đặc tính từ tuyến
tính hơn so với máy biến áp.
19
1.5.3. Các thiết bị điện tử công suất
Các thiết bị điện tử công suất hiện nay đều sử dụng bộ chỉnh lƣu đầu vào, thiết
bị chỉnh lƣu này chính là nguồn gây phát sóng hài. Mặt khác các van công suất khi
đóng/cắt cũng có thể gây ra nhiễu, hài với tần số cao. Thiết bị điện tử công suất sử
dụng phổ biến trong các thiết bị công nghiệp, gia dụng nhƣ: máy tính, bộ biến tần
điều tốc động cơ, đèn huỳnh quang, bộ lƣu điện UPS... Các thiết bị này tạo ra dòng
điện méo dạng rất lớn tùy thuộc vào công suất định mức.
Các thiết bị điện tử công suất có thể đƣợc coi nhƣ một trong những nguồn
chính gây ra sóng hài trong lƣới điện.
1.5.4. Các thiết bị hồ quang
Bao gồm các thiết bị nhƣ lò hồ quang, các đèn cao áp thủy ngân, máy hàn hồ
quang, ... Đặc tính Volt - Ampe của hồ quang có tính chất phi tuyến mạnh, khi hồ
quang đƣợc sinh ra, điện áp giảm đi do dòng hồ quang lớn.
Có thể thấy rằng với các lò hồ quang thì mức độ sóng hài sinh ra biến thiên
theo thời gian rất khó xác định chính xác do vậy thƣờng xác định theo phƣơng pháp
thống kê xác suất. Mức độ sóng hài biểu diễn theo phần trăm của dòng điện cơ bản
đƣợc cho sơ bộ theo bảng 1.6:
Bảng 1.6: Phổ tần của sóng hài phát sinh bởi lò hồ quang
Bậc sóng hài
Tỷ lệ phần trăm theo các thống kê
khác nhau
2
3.2
4.1
4.5
3
4.0
4.5
4.7
4
1.1
1.8
2.8
5
3.2
2.1
4.5
6
0.6
-
1.7
7
1.3
1.0
1.6
8
0.4
1.0
1.1
9
0.5
0.6
1.0
10
>0.5
>0.5
>1.0
20
1.6. Ảnh hƣởng của sóng hài tới hệ thống và các thiết bị
Sóng hài lan truyền trong lƣới điện có thể gây các ảnh hƣởng tiêu cực tới các
sự vận hành bình thƣờng của các thiết bị. Mức độ ảnh hƣởng tùy theo đặc tính của
từng loại thiết bị, do đó cần thiết phải có các đánh giá để xác định mức độ ảnh
hƣởng cũng nhƣ đề ra các giải pháp hạn chế sóng hài một cách hợp lý.
Ảnh hƣởng chính của sóng hài dòng điện và điện áp tới hệ thống điện có thể
tóm lƣợc nhƣ sau:
-
Có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm tại một tần số sóng hài nào
đó, dẫn tới quá điện áp;
-
Giảm khả năng khai thác tối đa hiệu suất của thiết bị;
-
Già hóa cách điện và làm giảm tuổi thọ các thiết bị;
-
Các thiết bị hoạt động sai chức năng so với thiết kế.
1.6.1. Hiện tưởng cộng hưởng tại tần số sóng hài
Việc lắp đặt các bộ tụ để bù công suất phản kháng trong hệ thống chính là một
yếu tố góp phần tạo ra hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài. Hiện tƣợng cộng hƣởng
sóng hài mang tính chất địa phƣơng và có thể gây ra quá tải các bộ tụ [5].
Có thể phân ra hai loại cộng hƣởng sóng hài:
-
Cộng hƣởng song song;
-
Cộng hƣởng nối tiếp.
*) Hiện tượng cộng hưởng song song:
Tải phi tuyến sinh ra các thành phần hài dòng điện, các thành phần sóng hài
này chạy về phía hệ thống.
Trong trƣờng hợp trên lƣới có các bộ tụ bù có thể xảy ra hiện tƣợng:
21
-
Với các bộ tụ bù: dung kháng của bộ tụ giảm đối với các sóng hài bậc cao
( XC
-
1
).
j C
Tổng trở của hệ thống: tăng cùng với bậc của sóng hài ( X L
j L ).
Sự cộng hƣởng song song xảy ra nếu giá trị điện kháng của hệ thống bằng với
giá trị dung kháng của các bộ tụ bù tại một tần số nào đó, tần số đó đƣợc gọi là tần
số cộng hƣởng song song. Tại tần số cộng hƣởng thì tổng trở của tƣơng đƣơng của
{hệ thống song song với bộ tụ} có giá trị rất lớn.
Điều nguy hiểm khi xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng song song là dòng điện hài
chạy vào các bộ tụ và hệ thống tăng lên
h* XC
lần (trong đó h là bậc tần số cộng
R
hƣởng, XC là dung kháng các bộ tụ, R là độ lớn thành phần R trong tổng trở
nguồn).Thƣờng R có giá trị rất nhỏ dẫn tới tỷ số
h* XC
có giá trị rất lớn và nhƣ vậy
R
dòng điện hài có thể gây quá tải cho các bộ tụ.
Tần số cộng hƣởng song song có thể tính toán đƣợc một cách gần đúng. Nên
tính toán lựa chọn các bộ tụ sao cho tần số cộng hƣởng song song này không gần
quá với các tần số sóng hài (ví dụ: tránh trƣờng hợp tần số cộng hƣởng song song
có bậc 5,3 trong khi đang có các sóng hài bậc 5).
*) Hiện tượng cộng hưởng nối tiếp:
22
Hiện tƣợng cộng hƣởng nối tiếp có thể xảy ra trong trƣờng hợp bộ tụ và máy
biến áp (hoặc đƣờng dây) dây tạo thành mạch cộng hƣởng R-L-C nối tiếp đối với
nguồn phát sóng hài.
Tại tần số cộng hƣởng của mạch RLC thì tổng trở tƣơng đƣơng của máy biến
áp và tụ bù rất nhỏ (bằng thành phần R), do đó hầu hết sóng hài sẽ chạy vào khu
vực này, gây quá tải các bộ tụ.
Tổng hợp về hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài trong lƣới phân phối có thể biểu
diễn nhƣ sau:
23
