Sóng hài trong hệ thống điện: Tác hại và giải pháp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết sau đây nhằm cung cấp cho người đọc những kiến thức cần thiết góp phần tìm lời giải cho một vấn đề mang tính thời sự nêu trên. Đối với các hoạt động sản xuất và đặc biệt là trong thời kỳ Công nghiệp 4.0 hiện nay, sóng hài là một trong những vấn đề gây nhức nhối vì nó có thể gây ra hư hỏng các thiết bị điện công nghệ cao và làm gián đoạn quy trình sản xuất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sóng hài trong hệ thống điện: Tác hại và giải pháp

SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN: TÁC HẠI VÀ GIẢI PHÁP (PHẦN 1) ThS. BÙI VĂN TRÌNH Trưởng nhóm chuyên gia về chất lượng nguồn điện I. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI bị giám sát và lọc sóng hài. S óng hài trong Hệ thống điện được tạo ra Bên cạnh đó, Việt Nam đang là điểm đến như thế nào? Tác hại do sóng hài gây ra đầy tiềm năng cho các nhà đầu tư nước ngoài, cho các thiết bị điện, các dây chuyền sản vì vậy sẽ có nhiều nhà máy sử dụng công nghệ xuất mức độ như thế nào? Giải pháp nào làm tiên tiến của Châu Âu hay Bắc Mĩ được xây giảm thiểu thiệt hại do sóng hài gây ra? dựng. Những công nghệ này yêu cầu chất Những câu hỏi đó luôn là động cơ, thôi lượng cung cấp điện là tuyệt đối. Nếu không thúc các chuyên gia nghiên cứu trong lĩnh vực “ tự bảo vệ mình” trước sóng hài hay các vấn Kỹ thuật điện. tìm ra lời giải cho chủ đề mang đề tương tự thì các nhà máy rất khó đạt được tính thời sự nêu trên. năng suất cao và giảm tính cạnh tranh trên thị trường. Bài viết sau đây nhằm cung cấp cho người đọc những kiến thức cần thiết góp phần tìm Từ những nhận định trên, việc tìm hiểu về lời giải cho một vấn đề mang tính thời sự nêu sóng Hài là vô cùng quan trọng để người vận trên. hành có thể xử lý sự cố. Trên tất cả, nghiên cứu giải pháp hạn chế sóng hài là thật sự cần thiết Đối với các hoạt động sản xuất và đặc biệt để chủ đầu tư có thể bảo vệ tài sản của mình, là trong thời kỳ Công nghiệp 4.0 hiện nay, sóng cũng như đảm bảo các quy định của nhà nước. hài là một trong những vấn đề gây nhức nhối vì nó có thể gây ra hư hỏng các thiết bị điện II. SÓNG HÀI ĐƯỢC TẠO RA NHƯ công nghệ cao và làm gián đoạn quy trình sản THẾ NÀO ? xuất. Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư điện đã cố Việc phát triển nóng các dự án năng lượng gắng thử nghiệm nhiều phương pháp khác tái tạo hòa lưới cũng như sự tăng trưởng ồ ạt nhau để thiết kế một hệ thống phân phối năng của các thiết bị bán dẫn đã và đang làm ảnh lượng đến các hộ gia đình và các khu công hưởng của sóng hài lên hệ thống điện ngày nghiệp một cách hiệu quả. Tuy nhiên, sự ra càng nghiêm trọng. Tuy nhiên việc tìm hiểu và đời của các thiết bị điện tử đã làm thay đổi tất lắp đặt các thiết bị giám sát, lọc sóng hài đang cả. Trước khi bùng nổ sử dụng các thiết bị bán bị xem nhẹ tại các nhà máy công nghiệp. Lý do dẫn, hầu hết khu dân cư và tải công nghiệp đều có thể vì chính phủ chưa thật sự có chế tài sử dùng các thiết bị có tính chất đơn giản, và, tất phạt đối với khách hàng phát sóng hài lớn lên nhiên, là dễ dự đoán. Nhưng với các thiết bị lưới truyền tải, hay chủ đầu tư tin tưởng vào điện tử hiện đại được kết nối vào hệ thống điện công nghệ hiện đại của mình có thể hạn chế ngày nay lại có tính chất phức tạp và khó dự sóng hài,…Thật không may, nguồn sóng hài có đoán hơn, bởi vì đó là những tải không tuyến thể không hình thành từ chính nhà máy đang tính (non-linear load). xét, mà có thể đến từ các nhà máy lân cận, hoặc Thuật ngữ tuyến tính nhấn mạnh ở việc do hiện tượng tự nhiên (giông sét, ngắn mạch dòng điện chạy trong tải có dạng sóng đồng trên lưới điện, …) và hậu quả là thiệt hại kinh dạng với dạng sóng của điện áp đầu vào (hình tế cho nhà máy do dừng dây chuyền sản xuất Sin). Các thiết bị sưởi ấm, động cơ, tụ điện, còn cao hơn nhiều so với mức đầu tư cho thiết bóng đèn sợi đốt,… là những ví dụ về tải tuyến  10 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020
tính (Hình 1.a). Có thể suy luận ngược lại, các tải không tuyến tính hình thành dòng điện có dạng sóng không tuân theo dạng sóng tự nhiên của điện áp nguồn (Hình 1.b). Dòng điện tải phi tuyến này được tạo ra vì hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại đều yêu cầu dòng điện một chiều (DC) để hoạt động. Điện áp được cung cấp từ các nhà máy điện cho phụ tải ở dạng xoay chiều (AC), nên các thiết bị điện tử phải sử dụng các kỹ thuật để chuyển đổi điện áp này sang một chiều (DC). Các kỹ thuật chuyển đổi này được gọi là converter. Hình 1.a Hình 1.b Hình 1: Các tải thông dụng trong hệ thống điện. (a): tải tuyến tính, (b): tải phi tuyến (Nguồn: Google) Bộ converter một pha được sử dụng nhiều đang chuyển đổi AC sang DC và điều đó hình nhất ngày nay là bộ nguồn chuyển mạch (switch- thành nên dòng điện không tuyến tính. Phân mode power supply). Các thiết bị này được tích chi tiết về hoạt động của bộ converter sẽ ứng dụng chủ yếu để cấp nguồn cho máy tính không được đề cập trong nội dung bài báo này; cá nhân, máy in,… Một số đèn huỳnh quang tuy nhiên hiểu biết cơ bản về nguyên tắc hoạt (fluorescent lighting) cũng sử dụng thiết bị trên động của chuyển đổi AC sang DC để tạo ra sóng để hoạt động. hài dòng điện là cần thiết. Phổ biến nhất trong ứng dụng bộ converter Và đây là cách nó hoạt động. Điện áp nguồn ba pha là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ được cung cấp bởi hệ thống điện phân phối (variable speed motor drive), đôi khi còn được trước hết được chỉnh lưu và lưu trữ trong tụ gọi là bộ điều tốc (adjustable speed drive). Bộ điện, một bộ phận tích hợp trong bộ converter. điều tốc nhận nguồn AC đầu vào, chỉnh lưu Trong nửa đầu chu kỳ điện, những bộ tụ lớn sang nguồn một chiều DC, và sau đó nghịch lưu được tích điện đến giá trị trung bình của điện áp trở lại nguồn xoay chiều. Khi chuyển đổi DC nguồn, sau đó phóng điện để hình thành dòng ngược lại sang AC, tín hiệu điện áp hoặc tần số một pha DC có điện áp giới hạn tùy theo thiết của nguồn AC bị thay đổi để điều khiển tốc độ kế của bộ converter. Khi điện áp trong tụ chạm động cơ. Ứng dụng của bộ chuyển đổi này là để đến ngưỡng giới hạn xả điện, nó bắt đầu nạp kiểm soát tốc độ, ví dụ như, quạt và máy bơm ở điện trở lại – thời điểm này diễn ra ở nữa chu kỳ những khu công nghiệp lớn. điện tiếp theo. Thiết bị lại tạo ra dòng một pha. Lưu ý rằng việc tạo ra dòng tải phi tuyến Và cứ như vậy, tụ điện nạp và xả điện. Bây giờ bộ không phụ thuộc vào tính chất tự nhiên một converter đang ở chu kỳ tiếp theo và đơn giản là pha hay ba pha của thiết bị. Sự thật là chúng ta lặp lại tiến trình trên.  BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 11
 Để dòng điện AC sau khi được tạo thành bậc sóng hài, và ωn= 2πnf0. ∂n là góc lệch pha trong bộ converter đi qua tải và trả ngược về sóng hài. Giá trị n=1 đặc trưng cho giá trị lưới thì điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu phải cao cơ bản. Phương trình phân tích dạng sóng hơn điện áp của tụ. Do đó dòng điện từ nguồn dòng điện cho Hình 3 được thể hiện như sau: cấp phải có dạng xung và không liên tục trong suốt chu kỳ của điện áp. Quá trình này được thể i(t)=sin(377t)+0.85sin(942t)+025sin(1570t) hiện trong Hình 2. +0.55sin(3454t)+0.15sin(5338t) (1) Hình 2: Dạng sóng dòng điện và điện áp của tải không tuyên tính (Nguồn: Google) Như ta có thể thấy, dòng điện của những tải phi tuyến không cùng dạng sóng với điện áp đầu vào. Tuy nhiên, dòng điện và điện áp đều giống nhau ở một khía cạnh – tần số. Thật sự, dòng điện xung tạo ra do tải không tuyến tính là điều hòa và có tần số cơ bản, f0 , có độ lớn bằng với điện áp. Chúng ta đã gặp may khi những dòng điện phi tuyến này là điều hòa, bởi vì nhờ đó mà chúng ta có thể áp dụng lý thuyết Fourier để phân tích dạng sóng xung này thành tổng của Hình 3: Dạng sóng cơ bản và các bậc sóng hài (Nguồn: Google) vô hạn các sóng hình Sin có tần số khác nhau. Mỗi thành phần trong chuỗi vô hạn này Để đơn giản, ta sẽ bỏ qua góc lệch pha sóng được gọi là sóng hài – harmonic. Mỗi thành hài ∂n. Sử dụng tần số cơ bản của Việt Nam là phần sóng hài có một tần số duy nhất với giá trị f0 = 50Hz, dòng điện trong phương trình (1) bao gồm thành phần sóng hài bậc 3, 5, 11 và 17, là tích của một số nguyên với tần số cơ bản. Giá bởi vì 924/2πf0 = 3; 1570/2πf0 = 5; 3454/2πf0 = 11; trị số nguyên này đặc trưng cho bậc sóng hài, và 5338/2π f0 = 17. giả sử như sóng hài : Với những hiểu biết cơ bản về cách tải bậc 1 có tần số f1 = 1x50 = 50Hz, không tuyến tính tạo ra sóng hài dòng điện, bậc hai có tần số f2 = 2x50 = 100Hz… chúng ta đã sẵn sàng thảo luận về những vấn đề thật sự. Nếu suy nghĩ rằng bản thân dòng Nếu phân tích toán học, mỗi thành phần điện hài là vấn đề duy nhất cần giải quyết, sóng hài của chuỗi vô hạn được thể hiện có lẽ hệ thống của chúng ta đã không quá bị là, ansin(ωnt+∂n) trong đó an là độ lớn, n là “tổn thương”. Tuy nhiên, với bản chất là dòng  12 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020
dịch chuyển các điện tích, dòng điện hài sẽ 1. Với dây dẫn điện: Phát nóng bất tương tác với điện khánh của hệ thống và gây thường là tác động phổ biến của sóng hài lên ra sụp áp. dân dẫn. Nhiệt luôn được tạo ra bởi dòng điện chạy trong dây dẫn theo công thức tính Nhớ lại rằng điện kháng bao gồm hai tổn thất nhiệt là . Sóng hài càng nhiều càng thành phần: điện trở (không phụ thuộc vào gây trầm trọng vấn đề, bởi vì ảnh hưởng của tần số) và trở kháng (phụ thuộc tần số). Khi hiệu ứng bề mặt (skin effect). Hiệu ứng bề dòng điện hài chạy trong hệ thống, giá trị của mặt tỉ lệ thuận với tần số, do đó bậc sóng trở kháng thay đổi phụ thuộc vào tần số của hài càng tăng thì hiệu ứng này càng nghiêm sóng hài. Sự tương tác của dòng điện hài và trọng. Dòng điện lớn sẽ xuất hiện trên bề mặt trở kháng biến thiên (theo định luật Ohm) của dây dẫn và làm tăng tổn thất, giá trị càng gây ra biến thiên sụp áp. Do đó ta có sóng hài lớn thì tổn thất càng nhiều. điện áp và làm méo dạng sóng điện áp trên thanh cái hệ thống. 2. Với máy biến áp: Cùng với việc phát nóng do hiệu ứng bề mặt, máy biến áp còn Bây giờ ta xét lại góc pha từ phương trình phải chịu thêm tổn thất từ dòng điện xoáy (1) mà ta đã bỏ qua trước đó. Góc pha ở đây phu cô (eddy current). Dòng điện xoáy được được hiểu là cùng pha (in-phase) hoặc lệch tạo ra bởi từ trường xoay chiều khép vòng pha (out-of-phase). Nếu góc pha sóng hài bên trong lõi từ của máy biến áp. Tổn thất do càng gần góc pha thành phần cơ bản, thì dòng điện xoáy tỉ lệ thuận với bình phương chúng sẽ càng cùng pha với nhau và ngược lại. tần số. Do đó, tổn thất sẽ rất lớn với chỉ hai Điều này rất quan trọng vì cùng pha nghĩa là hay ba thành phần hài. Từ đó làm giảm tuổi cộng vào với nhau và làm tăng độ lớn của tín thọ và thời gian làm việc của máy biến áp. hiệu tổng. Ngược pha sẽ triệt tiêu lẫn nhau, và làm giảm tín hiệu tổng. Tất nhiên, bằng 3. Với tụ điện: Một lý do vì sao sóng hài cách nào đi nữa (cùng pha hay ngược pha), ảnh hưởng lớn lên tụ điện là do điện kháng sóng hài điện áp và dòng điện đều làm méo của tụ giảm khi tần số tăng. Do đó, sóng hài dạng tín hiệu gốc. có bậc càng cao, thì tụ điện sẽ hoạt động như một điểm ngắn mạch. Điều này được hiểu Hình 3 thể hiện hình ảnh của tín hiệu cơ đơn giản là tụ điện sẽ hút sóng hài tần số cao bản và hai thành phần hài – bậc 3,bậc 5 và vào mình. Kết quả là tụ điện trở nên quá tải bậc 7, cũng như kết quả sự tương tác của các do dòng điện lớn đi qua. Một vấn đề khác tín hiệu này. Nếu so sánh tín hiệu cơ bản và giữa tụ điện và sóng hài là khả năng sinh ra kết quả tương tác, ta thấy độ lớn của tín hiệu cộng hưởng. Hiện tượng này xảy ra khi cảm nhiễu cao hơn nhiều so vơi tin hiệu ở tần số kháng và dung kháng của hệ thống có độ lớn chuẩn. Điều đó chứng tỏ sóng hài và tín hiệu bằng nhau và triệt tiêu lẫn nhau. Khi cộng chuẩn cùng pha với nhau trong ví dụ trên. hưởng xảy ra, nó làm giảm điện kháng của hệ Nhớ rằng Hình 3 chỉ thể hiện hai tín hiệu thống. Do đó, dòng điện không bị cản trở và sóng hài. Trong thực tế, có rất nhiều sóng hài bị khuếch đại có thể phá hủy tụ điện và các thành phần chứa trong tín hiệu chuẩn. Tất cả thiết bị khác trong hệ thống. các thành phần này sẽ cộng dồn và mức độ 4. Với thiết bị điện tử: Các thiết bị điện méo dạng sóng hình Sin ở tần số cơ bản. tử rất nhạy cảm với méo dạng sóng hài, bởi III. TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI ĐỐI VỚI vì chúng phụ thuộc vào dạng sóng điện áp CÁC THIẾT BỊ chuẩn để đưa ra các tín hiệu điều khiển. Tác hại của sóng hài rất rõ ràng và dễ hình Thiết bị điện tử công xuất sử dụng điểm zero dung. Có hài vấn đề chính mà chúng ta sẽ xem (thời điểm sóng điện áp đi qua mức 0) để xét, đó là sự nóng lên bất thường của thiết bị và điều khiển đóng mở van các thiết bị bán dẫn. gián đoạn hoạt động sản xuất (Hình 4) Nếu thời điểm zero bị dịch chuyển, thì bộ điều  BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020 13
khiển sẽ hoạt động sai. Hơn nữa, nhiều thiết bị điện áp đầu vào để giữ cho tụ điện luôn được đóng ngắt bán dẫn hoạt động tại điểm zero để nạp đầy. Nếu điện áp nguồn tăng hay giảm do giảm tác động của từ trường và dòng khởi động ảnh hưởng của sóng hài, thì bộ chuyển mạch sẽ (inrush current). Một lần nữa, lệch điểm zero lại hoạt động ở chế độ quá áp hoặc thấp áp. Hiện gây ra hoạt động sai lệch cho thiết bị. tượng này cũng được xem là sai lệch hoạt động cho thiết bị./ Các bộ nguồn chuyển mạch (electronic power supply) phụ thuộc vào giá trị đỉnh của Hình 4: Tác hại của sóng hài (Nguồn: Google) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) G.T. Heydt, Electric Power Quality, 2nd ed. West LaFayette, IN: Stars in a Circle Publications, 1994. 2) IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants, IEEE Standard 141-1993. New York: The IEEE Red Book, 1994. 3) R.C. Dugan, M.F. McGranaghan, and H.W. Beaty, Electrical Power Systems Quality. New York: McGrawHill, 1996. 4) J.C. Whitaker, AC Power Systems Handbook, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 1999. 5) G.N.C. Ferguson, “Power Quality Improvement in a Harmonic Environment,” from a paper presented at the Inter National Electrical Testing Association (NETA) Annual Technical Conference, Mar. 19, 1997. 6) IEEE Task Force, “Effects of Harmonics on Equipment,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 8, pp. 672-680, 1993. 7) C. Sankaran, “Effects of Harmonics on Power Systems—Part 1,” EC&M, pp. 33-42, Oct. 1995 14 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 6 / 2020