Nghiên cứu giải pháp lọc sóng hài phân tán trong công nghiệp

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP LỌC SÓNG HÀI PHÂN TÁN

TRONG CÔNG NGHIỆP

STUDY PASSIVE HARMONIC FILTER FOR INDUSTRIAL POWER

SYSTEMS

Nguyễn Thái Hòa¹, Nguyễn Thị Mi Sa²

¹Công ty cổ phần dịch vụ dữ liệu CNTT Vi Na

²Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc đưa vào ứng dụng các thiết bị điện – điện tử có

hiệu quả cao, các thiết bị vi điều khiển, thiết bị điện tử công suất, … ngày càng nhiều, đây cũng

chính là những thiết bị nhạy cảm với các nhiễu loạn trong hệ thống điện. Những nhiễu loạn này

là do các thành phần sóng hài gây ra, cần có các giải pháp để hạn chế những tác hại của sóng

hài để nâng cao chất lượng điện năng. Trong bài báo này sử dụng các dữ liệu của nhà máy Sam

Engineering and Trade dùng bộ lọc của MTE, sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng bộ lọc

sóng hài bằng phương pháp lọc thụ động (Passive filter of Harmonic). Xây dựng các sơ đồ lọc

khác nhau như: mạch lọc C, LC, CLC, LCL. Qua các kết quả mô phỏng và phân tích các bộ lọc

bằng phần mềm Matlab, sơ đồ mạch lọc LCL là phù hợp nhất cho kết cấu biến tần, động cơ phân

tán trong nhà máy đặt biệt là động cơ công suất lớn.

Từ khóa:

THD: Tổng méo điều hòa; TDD: Tổng méo nhu cầu; PCC: Điểm kết nối chung; ASD: Động cơ

tốc độ điều chỉnh; VSI: Biến tần có nguồn là điện áp; CSI: Biến tần có nguồn là dòng điện.

ABSTRACT

With the development of science and technology, the use of high effective electric – electronics

devices becomes more commonly. However, these devices are sensitive to a disturbance in power

system. These unexpected disturbances are created by harmonic, solutions are needed to mitigate

the harmful harmonic to improve the quality of power system. In this paper, we use the data of

the Sam Engineering and Trade plant using the MTE filter. Matlab software is used to simulate

the performance of passive filters with different filter types such as C, LC, CLC and LCL. From

the simulation results, it can be concluded that, the LCL filter circuit is most suitable for the

variable-frequency drive motor structure in the plant especially the large-capacity motor.

Keywords:

THD: Total harmonic distortion; TDD: Total demand distortion; PCC: Point of common

coupling, ASD: Adjustable speed drives; VSI: Voltage source inverters; CSI: Current source

inverters.

1. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI

2.1 Nguồn sinh ra sóng hài

Sóng hài có thể coi như là tổng của các

dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số

nguyên của tần số cơ bản.

Sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T -

seconds và tần số cơ bản f=1/T Hz, or ω=2πf

rad/s, có thể biểu diễn một sóng hài f(t) với

biểu thức sau:

Nguồn sinh ra sóng hài chủ yếu từ các

tải phi tuyến như là : thiết bị chỉnh lưu, các

tải của biến tần, đèn huỳnh quang, lò hồ

quang, bộ chuyển đổi năng lượng tái tạo và

nhiều thứ khác.

∞

( )

∑

ꢀ ꢁ = ꢂ₀+ _ꢃ=1ꢂ_ꢃcos(ꢄꢅꢁ + ꢆ_ꢃ) (1)

Trong đó :

U₀: là giá trị DC của hàm sóng hài f(t)

Hình 2: Bộ chuyển đổi nguồn

2.2 Tác hại của sóng hài bậc cao

U_n: là giá trị đỉnh của thành phần hài

bậc n và θ_nlà giá trị góc pha.

Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp

(THD) là tỷ lệ giữa giá trị hiệu dụng của

sóng hài điện áp với giá trị hiệu dụng của

điện áp bậc cơ bản (theo đơn vị %), được

tính theo công thức sau:

Một số tác hại của sóng hài bậc cao lên

các thiết bị điện:

. Gây phát nóng và giảm tuổi thọ động

cơ.

. Quá tải CB, quá nhiệt và gây cháy nổ

máy biến áp.

. Máy cắt, Aptomat, cầu chì có thể bị

tác động mà không rõ nguyên nhân.

. Giảm tuổi thọ tụ bù, thậm chí gây nổ

tụ bù bất thường.

. Gây nhiễu ảnh hưởng đến các thiết bị

viễn thông, hệ thống tự động hóa như

PLC, Role,...

ꢌ

2

∑

_ꢋ=2ꢊ

ꢋ

�

ꢇꢈꢉ =

Trong đó:

× 100%

(2)

ꢊ²

1

THD: Tổng độ biến dạng sóng hài điện

áp.

Vi: Giá trị hiệu dụng của sóng hài điện

áp bậc i và N là bậc cao nhất của sóng hài

cần đánh giá.

. Các thiết bị đo hoạt động không chính

xác.

Tiêu chuẩn tham khảo IEEE-519

V1: Giá trị hiệu dụng của của điện áp tại

Đánh giá méo điều hòa ở hệ thống phân

phối là việc xác định mức độ méo điều hòa

có thể chấp nhận được đối với các hộ sử

dụng. Tiêu chuẩn IEEE std 519-1992 đưa ra

các số liệu giới hạn cụ thể.

Bảng 1: Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 giới

Giới hạn méo dạng điện áp

bậc cơ bản (tần số 50 Hz).

Hình 1: Thành phần cơ bản và các hài

Bus điện áp tại Méo dạng Tổng méo

điểm kết nối

chung (PCC)

điện áp

riêng lẻ

điện áp

THD(%)

2. NGUỒN SINH RA SÓNG HÀI BẬC

CAO, TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI VÀ

CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG

HÀI BẬC CAO

Dưới 69kV

3.0

1.5

1.0

5.0

2.5

1.5

69kV – 161kV

161kV – trở lên

hạn méo dạng điện áp

HÀI DẠNG THỤ ĐỘNG - MATRIX AP

HARMONIC FILTER (MTE)

2.3 Các giải pháp hạn chế sóng hài bậc cao

3.1 Đặt tính kỹ thuật của bộ lọc thụ động

Matrix AP Harmonic Filter

Thay thế các thiết bị hư hỏng mà nguyên

nhân gây ra bởi sóng hài là giải pháp tốn

kém, làm tăng kinh phí đầu tư và kinh phí

vận hành nhưng vẫn không thể giảm được

ảnh hưởng của sóng hài. Vì thế, cần lựa chọn

những giải pháp ít tốn kém nhưng mang lại

hiệu quả cao trong việc kiểm soát sóng hài.

. Sử dụng công nghệ lọc thụ động giảm

sóng hài để hạn chế biến dạng của

dòng điện đầy tải xuống dưới 5%

THID và 8% ở 30% tải.

. Lọc sóng hài kết hợp với điều chỉnh

tần số biến tần đáp ứng tất cả các yêu

cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn IEEE

519 cho riêng lẻ và tổng méo hài điện

áp và dòng điện.

Sử dụng các bộ lọc sóng hài trên lưới có

thể được phân chia thành hai loại: lọc tích

cực và lọc thụ động. Trong đó nguyên lý của

bộ lọc tích cực là bơm vào trong hệ thống

các sóng hài ngược pha với các sóng hài sinh

ra do tải phi tuyến, từ đó triệt tiêu chúng. Bộ

lọc tích cực được phân loại theo cách chúng

được nối vào mạch: nối nối tiếp, nối song

song rẽ nhánh, kết hợp giữa lọc tích cực và

lọc thụ động. Ngược lại bộ lọc thụ động hoạt

động theo nguyên lý mạch cộng hưởng nối

tiếp, bao gồm các cuộn kháng nối tiếp với

các tụ điện và có thể được chỉnh định để có

được tần số lọc mong muốn.

. Không gây cộng hưởng hài với hệ

thống phân phối và hấp thụ hài từ các

nguồn khác.

. Phù hợp để sử dụng với tải đơn phi

tuyến hoặc nhiều tải phi tuyến.

. Hoạt động tốt hơn với biến tần đa

xung và hài thấp.

Hình 3: Nhiều bộ lọc điều chỉnh nổi tiếp

mắc song song để bẫy các bậc hài

Tác dụng của các bộ lọc nối song song

này là tạo những đường dẫn trở kháng thấp

cho những sóng hài nhất định. Một bộ lọc hài

3 pha trong thực tế có thể kết hợp bản tụ 3

pha nối tam giác với các cuộn kháng một

pha.

Hình 4: Sơ đồ lắp đặt Matrix AP harmonic

filter (MTE)

Thiết kế cuối cùng của một bộ lọc vẫn

phải đảm bảo độ dự trữ khi tính đến dung sai

của các thành phần trong mạch và sự thay

đổi của hệ thống điện. Ví dụ giá trị của tụ

điện và cuộn kháng có thể thay đổi trong

khoảng ±5% giá trị định mức, cũng như vậy

phải tính đến cả thay đổi do nhiệt độ và các

điều kiện làm việc khác

3.2 Dùng bộ lọc Matrix AP harmonic filter

vào nhà máy Sam Engineering and Trade

Mục đích sử dụng bộ lọc này là để giảm

sóng hài bậc cao phát sinh từ bơm nước biển

trong nhà máy. Với hệ thống bơm dùng

truyền động biến tần cho động cơ, đây là

thiết bị sinh ra nhiều sóng hài. Vì vậy, nhà

máy này có nhiều sóng hài bậc cao vượt quá

3. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LỌC SÓNG

tiêu chuẩn cho phép của IEEE-519.

Kết quả vận hành của nhà máy đạt được

khi chưa sử dụng lọc và sau khi sử dụng bộ

Thông số

Chưa lọc

Đã được

lọc

KW

1603

2134

141.9

73.34

31.09

0.751

1703

1722

114.5

3.32

KVA

%Tải MBA

%TDD

%THDv

PF

2.30

Hình 6: Tổng độ biến dạng sóng hài điện

áp khi sử dụng lọc

0.989

4. MÔ PHỎNG THIẾT BỊ LỌC BẰNG

PHẦN MỀM MATLAB

lọc Matrix AP harmonic filter như sau:

4.1 Sơ đồ kết nối mô phỏng bằng phần

mềm Matlab

Bảng 2: Kết qủa tính toán thứ cấp máy

biến áp

Sơ đồ mạch được kết nối như sau:

Nguồn cấp ba pha, mạch lọc, thiết bị chỉnh

lưu và động cơ.

Kết quả này cho ta thấy, khi sử dụng lọc

Matrix AP harmonic filter thì:

• TDD đạt được 3.32% (< 5%)

• THVD đạt được 2.30% (< 8%)

• PF đạt được 0.989 (≥ 0.95)

Như vậy kết quả có được đều đạt yêu cầu

theo tiêu chuẩn IEEE-519. Hình 5 và hình 6

thể hiện phổ của sóng hài điện áp khi chưa

sử dụng lọc và sau khi sử dụng lọc Matrix

AP harmonic filter:

Hình 7: Mạch lọc LCL

4.2 Các kết quả mô phỏng

. Kết quả mô phỏng khi chưa sử dụng

lọc

400

200

0

-200

-400

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

=

5e-5s

200

100

0

Hình 5: Tổng độ biến dạng sóng hài điện

áp khi chưa sử dụng lọc

-100

-200

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

=

5e-5s

Hình 8: Kết quả mô phỏng khi chưa sử

dụng lọc

Khi chưa sử dụng bộ lọc ta thấy biên độ

của dạng sóng điện áp và dòng điện bị méo

dạng rất nhiều. Để đánh giá ảnh hưởng của

các giải pháp bù bằng bộ bù thụ động, các

kết quả mô phỏng sau được thực hiện bằng

cách chọn 4 loại lọc như sau:

500

0

-500

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

=

5e-5s

Hình 11: Kết quả mô phỏng khi sử

dụng lọc CLC

 Kết quả mô phỏng khi sử dụng lọc C:

400

200

0

 Kết quả mô phỏng khi sử dụng lọc LCL:

-200

-400

400

200

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

=

5e-5s

500

-200

-400

0

1000

500

1000

1500

Chu ky Ts

=

5e-5s

-500

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

=

5e-5s

0

Hình 9: Kết quả mô phỏng khi sử dụng

lọc C

-500

-1000

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

=

5e-5s

 Kết quả mô phỏng khi sử dụng lọc LC:

Hình 12: Kết quả mô phỏng khi sử

dụng lọc LCL

400

200

0

Kết quả đo %THDv và %THDi lúc chưa

lọc và sau khi sử dụng các bộ lọc C, LC,

CLC, LCL.

-200

-400

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

= 5e-5s

Bảng 3: Kết quả đo THD

500

STT Loại bù %THDv %THDi

0

1

Không có

bù

15.4

22.2

-500

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

= 5e-5s

2

3

4

5

C

6.7

5.7

5.4

4.4

9.5

8.1

3.3

2.9

Hình 10: Kết quả mô phỏng khi sử

dụng lọc LC

LC

CLC

LCL

 Kết quả mô phỏng khi sử dụng lọc

CLC:

400

200

0

-200

-400

0

500

1000

1500

Chu ky Ts

=

5e-5s

Từ các kết quả mô phỏng được trình bày

trong các hình 9 đến hình 12 tương ứng với

các trường hợp bộ lọc là tụ điện C, bộ lọc LC,

CLC và LCL ta thấy biên độ sóng hài cả về

điện áp và dòng điện càng giảm. Bảng 3 trình

bày kết quả đo THD chi tiết cho các trường

hợp này, trong đó bộ lọc LCL là loại tốt nhất.

KẾT LUẬN

Bài báo này đã trình bày các giải pháp

lọc sóng hài bằng phương pháp thụ động

phân tán cho hệ thống biến tần và động cơ để

nâng cao hiệu quả sử dụng bằng cách giảm

sóng hài sinh ra do bộ biến tần. Các kết quả

khảo sát được thực hiện trên phần mềm

Matlab được trình bày dựa trên dạng sóng

của dòng điện và điện áp. Các kết quả phân

tích THDi, THDv cho từng trường hợp cụ thể

của các mạch lọc như C, LC, CLC và LCL

cũng được nêu ra và so sánh.

Từ các kết quả mô phỏng và phân tích

trên ta thấy rằng bộ lọc thụ động LCL là giải

pháp phù hợp nhất cho cấu trúc biến tần,

động cơ phân tán trong nhà máy đặc biệt là

các động cơ lớn.

Bài báo vẫn còn những vấn đề tồn tại

chưa giải quyết, và các vấn đề này cũng sẽ là

hướng phát triển của đề tài trong tương lai:

• Tính toán tối ưu thông số bộ lọc dựa vào

các ràng buộc về kinh tế kỹ thuật để từ

đó đề xuất chọn vật liệu cho phù hợp.

• Có thể sử dụng các bộ lọc cho các tải phi

tuyến khác ngoài động cơ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Trần Mạnh Hiếu “Thiết kế bộ lọc sóng hài thông thấp băng rộng”, trường Đại học Thái

Nguyên.

[2]. Phạm Hùng ” Nghiên cứu hệ thống biến tần động cơ khi làm việc ở các tần số khác định

mức của động cơ”, trường đại học Bách khoa Hà nội.

[3]. TS. Đinh Hoàng Bách “Họa tần bậc cao trong hệ thống điện và phương pháp lọc tích cực”,

trường Đại học Tôn Đức Thắng.

[3]. B Anirudh Acharya ; Vinod John, “Design of output dv/dt filter for motor drives”,

International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS), 2010

[4]. V. Dzhankhotov and J. Pyrhönen, “Passive LC Filter Design Considerations for Motor

Applications”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, Issue 10, Oct. 2013, pp.

4253 – 4259.

[5] Harmonic Mitigation in Variable Frequency Drives: 6-Pulse Drive with MTE Matrix AP

Harmonic Filter vs. 18-Pulse Drive.

[6] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electical Power Systems, IEEE Industry Applications Society/ Power Engineering Society,

Published by the Institue of Electrical and Electronics Engineers, American National

Standards Institue.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Nguyễn Thái Hòa

Đơn vị: Công ty cổ phần dịch vụ dữ liệu CNTT Vi Na

Điện thoại: 0935456179

Email: [email protected]

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.