Tài liệu Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện thành phố lạng sơn

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN – 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đặng Danh Hoằng THÁI NGUYÊN – 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Trung Kiên Đề tài luận văn: Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện Thành phố Lạng Sơn. Chuyên ngành:Kỹ thuật điện. Mã số: : 8.52.02.01 Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với các nội dung sau: - Sửa các sai sót về chế bản ,lỗi chính tả, chú thích không đi kèm với hình, các trang nội dung dịch ra ngoài khung trang đã chỉnh. - Sửa đề mục có sự trùng lặp (2.2 và 2.3), đưa ra cấu trúc điều khiển( bù công suất phản kháng với bộ điều khiển PI) chi tiết hơn hình 2.18 Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020 Cán bộ hướng dẫn Tác giả luận văn TS. Đặng Danh Hoằng Nguyễn Trung Kiên CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. Nguyễn Như Hiển i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Trung Kiên Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1980 Học viên lớp cao học khoá 21 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Công ty điện lực Lạng Sơn. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Trung Kiên ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô. Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Học viên Nguyễn Trung Kiên iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... II LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. III MỤC LỤC ................................................................................................................... IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. IX MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 1 3. Nội dung của luận văn ............................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN ..................................................... 3 1.1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong lưới điện .................................................................................................................................. 3 1.1.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao ............................................... 3 1.1.2. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao ................................................................ 3 1.1.3. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên lưới điện .............................................................................................................................. 7 1.1.4. Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài ........................................................... 9 1.2. Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn ......................................................... 16 1.2.1. Lưới điện trung thế .......................................................................................... 17 1.2.2. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Lạng Sơn trong một vài năm gần đây ............................................................................................................................. 20 1.2.3. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính toán ..................................................... 21 1.2.4. Một số phụ tải phát sinh sóng hài lớn tại thành phố Lạng Sơn ....................... 22 1.2.5. Giải pháp lọc sóng hài .................................................................................... 24 1.3. Kết luận chương 1 ................................................................................................ 24 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ...................... 25 2.1. Tổng quan bộ lọc tích cực .................................................................................... 25 2.1.1. Nhiệm vụ của bộ lọc tích cực .......................................................................... 25 iv 2.1.2. Giới hạn công suất của bộ lọc tích cực ........................................................... 25 2.2. Phân loại bộ lọc tích cực ..................................................................................... 26 2.2.1. Bộ lọc tích cực song song ............................................................................... 26 2.2.2. Bộ lọc tích cực nối tiếp ................................................................................... 28 2.2.3. Bộ lọc tích cực dựa theo nguồn cung cấp điện ............................................... 29 2.2.4. Bộ lọc tích cực theo bộ biến đổi công suất ..................................................... 31 2.3. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực ............................................................... 32 2.4. Các thuật toán lọc tích cực .................................................................................. 35 2.4.1 Các thuật toán lọc tích cực dựa trên miền tần số ............................................. 35 2.4.1.1 Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform) ..................................... 35 2.4.1.2 Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform) ............................................ 36 2.4.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian .................................. 36 2.4.2.1. Phương pháp xác định dòng bù trong hệ dq ............................................ 37 2.4.2.2 Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q ............................. 38 2.5. Xây dựng cấu trúc điều khiển ............................................................................. 42 2.6. Kết luận chương 2................................................................................................. 44 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ......... 45 3.1. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [5] ...................... 45 3.1.1. Khối nguồn xoay chiều 3 pha.......................................................................... 45 3.1.2. Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI................................................... 45 3.1.3. Khối bộ lọc tích cực ........................................................................................ 46 3.1.4 Khâu tính toán độ méo dạng (THD) ................................................................ 53 3.1.5 Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha .................... 53 3.1.6. Khâu đo dòng điện, điện áp............................................................................. 54 3.2. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................................... 54 3.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống ......................................... 56 3.3.1 Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực ................................... 56 3.3.2. Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực ........................................... 58 3.3.3. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống ....................................................... 63 3.4. Kết luận chương 3................................................................................................. 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 66 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 f Tần số lưới điện 2 f(t) Hàm chu kỳ không sin 3 U1 Biên độ thành phần điện áp điều hoà cơ bản 4 Un Biên độ thành phần điện áp điều hoà bậc n 5 I1 Biên độ thành phần dòng điện điều hoà cơ bản 6 In Biên độ thành phần dòng điện điều hoà bậc n 7 PF Hệ số công suất 8 p Công suất tác dụng tức thời 9 q Công suất phản kháng tức thời 10 P Công suất tác dụng 11 Q Công suất phản kháng 12 R Điện trở lọc 13 L Điện cảm lọc 14 C Điện dung lọc 15 iS Dòng điện nguồn 16 iL Dòng điện lưới phía tải (dòng tải) 17 iF Dòng điện chạy qua bộ lọc 18 Us Điện áp nguồn 19 Uh Điện áp thành phần điều hoà bậc cao 20 UF Điện áp thành phần cơ bản 21 u0, u, u Điện áp biểu diễn trên hệ trục  22 ua, ub, uc Điện áp biểu diễn trên hệ trục abc 23 ia, ib, ic Dòng điện biểu diễn trên hệ trục abc 24 i0, i, i Dòng điện biểu diễn trên hệ trục  25 ud, uq Điện áp biểu diễn trên hệ trục dq vi 26 id, iq Dòng điện biểu diễn trên hệ trục dq 27  Tần số góc nguồn điện 28 Udc Điện áp 1 chiều 29 S Công suất biểu kiến , 30 dòng 1 chiều Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần 31 32 Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần dòng xoay chiều T Chu kỳ dòng điện Các chữ viết tắt STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 33 CSPK Công suất phản kháng 34 CSTD Công suất tác dụng 35 THD Hệ số méo dạng 36 SVC Đóng ngắt bằng Thyristor 37 DC Một chiều 38 AC Xoay chiều 39 AFn Bộ lọc tích cực song song 40 AFS Bộ lọc tích cực nối tiếp 41 TSR Thyristor Switched Reactor 42 TCR Thyristor controller Reactor 43 DFT Discrete Fourier Transform 44 FFT Fast Fourier Transform 45 PLL Phase locked loop 46 SVM Space vector modulation method vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp .................................. 8 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện ............................... 9 Bảng 1.3: IEC 1000-3-4 ............................................................................................. 9 Bảng 1.4. Mang tải của đường dây trung thế sau trạm 110kV Lạng Sơn ............... 19 Bảng 1.5. Tổn thất điện năng qua các năm của thành phố Lạng Sơn ...................... 21 Bảng 1.6. Kết quả công suất các lộ trung thế ........................................................... 21 Bảng 1.7. Tổn thất điện năng kỹ thuật qua các năm của TP Lạng Sơn .................... 22 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin) ........................ 4 Hình 1.2: Các thành phần sóng điều hòa .................................................................................... 5 Hình 1.3: Phân tích Fn thành an và bn .......................................................................................... 6 Hình 1.4: Phổ của các thành phần điều hòa ................................................................................ 6 Hình 1.5: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển ........................................ 10 Hình 1.6: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển ................................................................................................................................. 10 Hình 1.7: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần .................................................................... 11 Hình 1.8: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha không điều khiển ....................................... 11 Hình 1.9: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu pha không điều khiển12 Hình 1.10: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần ................................................................. 12 Hình 1.11: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp qua bộ điều khiển PI............................................................................................................................................... 13 Hình 1.12: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp ........................................................................................................................... 13 Hình 1.13: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần ................................................................. 14 Hình 1.14: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển PWM................................ 14 Hình 1.15: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu ............................... 15 Hình 1.16: Dạng dòng điện pha A phía nguồn và phổ tần ...................................................... 15 Hình 1.17: Sơ đồ kết dây cơ bản lưới điện Thành phố Lạng Sơn ............................................ 17 Hình 1.18: Trạm 110KV Lạng Sơn .......................................................................................... 18 Hình 1.19: Hình ảnh công ty cổ phần xây lắp điện Lạng Sơn ................................................. 23 Hình 1.20: Hình ảnh công ty cổ phần xi măng Lạng Sơn ....................................................... 23 Hình 2.1: Bộ lọc tích cực song song ......................................................................................... 26 Hình 2.2: Cấu trúc bộ lọc tích cực song song ........................................................................... 28 Hình 2.3: Bộ tíc cực nối tiếp.................................................................................................... 28 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý làm việc của AFS ........................................................................... 29 Hình 2.5: Bộ lọc tích cực 3 dây ................................................................................................ 30 Hình 2.6: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa ......................................................................... 30 Hình 2.7: Bộ lọc tích cực 4 dây ............................................................................................... 31 ix Hình 2.8: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn áp VSI ....................................................... 31 Hình 2.9: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn dòng CSI ................................................... 32 Hình 2.10: Nguyên lý bù công suất phản kháng của bộ bù tích cực ........................................ 33 Hình 2.11: Trạng thái hấp thụ công suất của bộ lọc tích cực ................................................... 34 Hình 2.12: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ lọc .................................................. 34 Hình 2.13: Phương pháp FFT ................................................................................................... 36 Hình 2.14: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq ............................................................... 37 Hình 2.17: Lưu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q ................................................. 42 Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực ........................................... 43 Hình 3.1: Khối nguồn ba pha................................................................................................... 45 Hình 3.2: Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI ............................................................ 46 Hình 3.3. Bộ biến đổi và thông số của bộ biến đổi................................................................... 47 Hình 3.4: Mạch điều khiển của bộ lọc ...................................................................................... 48 Hình 3.5: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ ................................................................................. 49 Hình 3.6: Khâu tính bù công suất PQ ...................................................................................... 50 Hình 3.7: Khâu tính toán dòng bù pq ....................................................................................... 51 Hình 3.8: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc .............................................................................. 51 Hình 3.9: Khối SVM ................................................................................................................ 52 Hình 3.10: Chọn các véc tơ ...................................................................................................... 52 Hình 3.11: Khâu tính toán TDH và thông số của TDH ............................................................ 53 Hình 3.12: Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu dòng áp ............................................................... 53 Hình 3.13: Khâu đo dòng điện, điện áp .................................................................................... 54 Hình 3.14: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi tuyến khi chưa có bộ lọc tích cực ...................................................................................................................... 55 Hình 3.15. Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi tuyến khi có bộ lọc tích cực................................................................................................................................ 55 Hình 3.16: Dạng dòng điện nguồn............................................................................................ 56 Hình 3.17: Phân tích phổ và THD của dòng điện nguồn .......................................................... 56 Hình 3.18: Bảng số liệu phân tích phổ dòng điện nguồn pha A ............................................... 57 Hình 3.19: a) Dạng dòng điện 1 pha khi chưa có bộ lọc tác động; ......................................... 58 b) Dạng dòng điện 3 pha khi chưa có bộ lọc tác động ............................................................. 58 Hình 3.20: a) Dạng dòng điện 1 pha khi có bộ lọc tác động; .................................................. 59 x b) Dạng dòng điện 3 pha khi có bộ lọc tác động ...................................................................... 59 Hình 3.21: Dạng dòng điện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác động .................................. 60 Hình 3.22: Dạng dòng điện khi có bộ lọc tác động xét tại thời điểm từ 0,4 đến 0,5s ............. 60 Hình 3.23: Phân tích phổ của dòng điện pha A khi có bộ lọc tác động .................................. 61 Hình 3.24: Công suất phản kháng của hệ thống ....................................................................... 61 Hình 3.25: Hệ số công suất cosφ ............................................................................................. 62 Hình 3.26: Đáp ứng công suất biểu kiến của hệ thống ............................................................. 62 Hình 3.27: Đáp ứng điện áp điều khiển Ud của hệ thống ......................................................... 63 Hình 3.28: Phân tích phần trăm phổ dòng điện nguồn pha A khi có bộ lọc ............................. 63 xi MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp trong đất nước. Điện năng cung cấp cho các phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về giá trị công suất mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo. Trong điều kiện vận hành, truyền tải điện năng, do trên các phụ tải có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Các thành phần sóng điều hòa bậc cao này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện năng... Do đó, các thành phần dòng điều hòa bậc cao trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn các thành phần điều hòa bậc cao. Giải pháp để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc tích cực dựa trên thiết bị điện tử công suất và điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau như loại bỏ sóng hài và có khả năng bù công suất phản kháng. Từ những nhận định trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng lưới điện cung cấp cho các phụ tải. Vì vậy tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện Thành Phố Lạng Sơn". 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về hệ thống lưới điện phân phối cung cấp điện cho thành phố Lạng Sơn của tỉnh Lạng sơn. - Phân tích hiện tượng xuất hiện sóng hài bậc cao. - Đề xuất thiết kế bộ lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao và có khả năng bù công suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng nguồn điện cung cấp. 3. Nội dung của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn và phụ tải phát sinh sóng hài. 1 Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển sử dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng. Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống Kết luận và kiến nghị 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN 1.1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong lưới điện 1.1.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong đời sống dân sinh cũng như sản xuất công nghiệp hết sức đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, đồng nghĩa kéo theo đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ thống cung cấp điện. Như ta đã biết rằng, điện năng truyền tải trong hệ thống cung cấp điện thông qua việc sử dụng một sóng điện từ có tần số 50 Hz (Việt Nam) hoặc 60 Hz (Mỹ, Nhật), gọi là sóng cơ bản. Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân như: Sự cố đường dây, các phụ tải phi tuyến như: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ… làm cho phát sinh phía nguồn hệ thống cung cấp điện các sóng điện từ có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Các sóng này gọi chung là sóng điều hòa bậc cao (hay còn gọi là sóng hài). Sự tồn tại của các sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống điện gây ảnh hưởng không tốt tới các thiết bị điện và đường dây truyền tải. Chúng gây ra hiện tượng: quá áp, méo điện áp lưới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụ tải, giảm chất lượng điện năng và gián đoạn cung cấp điện. Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao ra khỏi hệ thống điện. Các thiết bị được sử dụng để loại bỏ sóng điều hòa bậc cao gọi là các bộ lọc. Có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong sản xuất công nghiệp. Đề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực, đảm bảo các yêu cầu đặt ra về chất lượng điện năng cho lưới cung cấp và phân phối điện đến phụ tải. 1.1.2. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn có chất lượng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng 3 không còn dạng sin [10, 11] được thể hiện trên hình 1.1b. 100 50 0 -50 -100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.09 0.1 a) 100 50 0 -50 -100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 b) 0.06 0.07 0.08 Hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin) Sóng chu kỳ không sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng điều hoà mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản. Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không: - Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11… - Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5, 8… - Thành phần thứ tự không: các sóng điều hòa 3, 6, 9… Khi xảy ra trường hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng điều hòa có thể bao gồm một trong ba thành phần trên. Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện nên cần phải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao lớn hơn mức độ cho phép. Sóng điều 4 hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Thí dụ: Ta có dòng điện với tần số 150(Hz) tồn tại trên lưới làm việc với tần số 50(Hz), suy ra đây là dòng điều hòa bậc 3 và dòng 150(Hz) này là dòng không sử dụng được với các thiết bị làm việc trên lưới 50(Hz). Vì vậy nó sẽ chuyển thành dạng nhiệt năng và gây tổn hao. 1.5 f(t) Thành phần cơ bản 1 Thành phần bậc 5 0.5 0 Thành phần bậc 7 -0.5 -1 -1.5 Hình 1.2: Các thành phần sóng điều hòa Để phân tích sóng chu kỳ không sin thành các sóng điều hoà, ta sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T(s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz) hoặc ω = 2πf (rad/s), có thể biểu diễn một sóng chu kỳ không sin f(t) theo Fourier như biểu thức sau: (1.1) Trong đó : : Giá trị trung bình Fn: Biên độ của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier Thành phần sóng cơ bản Thành phần sóng cơ bản : Góc pha của sóng điều hòa bậc n Ta có thể viết như sau: (1.2) Ta quy ước: Khi đó ta có thể viết như sau: 5 (1.3) Im FFT window: 1 of 10.96 cycles of selected signal 2000 1000 0 Re -1000 -2000 Hình 1.3: Phân tích Fn thành an và bn 0.2 0.205 0.21 Ví dụ phổ của hài được thể hiệnTime như(s)sau: 0.215 Fundamental (50Hz) = 1205 , THD= 8.40% Mag (% of Fundamental) 8 6 4 2 0 0 5 10 Harmonic order 15 20 Hình 1.4: Phổ của các thành phần điều hòa Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan trọng nhất dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao.  THD  Trong đó:  X n2 n2 (1.4) X1 X1: Biên độ thành phần cơ bản Xn: Biên độ thành phần điều hòa bậc n. Từ công thức trên ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp qua hệ số méo dạng như sau: 6  Hệ số méo dạng dòng điện:  THD  Trong đó:  I n2 n2 (1.5) I1 I1: Biên độ thành phần dòng cơ bản In: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n.  Hệ số méo dạng điện áp:  THD  Trong đó: U n2 n2 (1.6) U1 U1: Biên độ thành phần điện áp cơ bản Un: Biên độ thành phần điện áp điều hòa bậc n. Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn như IEEE 519-2014, IEC 1000-4-3 về giới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới, đối với mỗi loại tải qui định THD < 5%, riêng đối với tải kỹ thuật số THD < 3%. 1.1.3. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên lưới điện *. Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau: = (1.7) = (1.8) Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng điều hòa bậc cao, sẽ dẫn đến tăng tổn hao nhiệt, làm hỏng cách điện của các thiết bị, gây ra các hỏng hóc không mong muốn. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao lênn một số thiết bị như sau: 7