NGUỒN GỐC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI

NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA PHỤ TẢI

Trước khi triển khai lọc sóng hài và ảnh hưởng của sóng hài, chúng ta cần xem xét mạng lưới phân phối điện và các phụ tải trong hệ thống điện.

Các nhà máy lớn thường lắp đặt một máy biến áp (MBA) hạ áp từ cao thế để cấp điện cho hệ thống máy móc. Các nhà máy cỡ trung và cỡ nhỏ thường sử dụng cấp điện áp trung thế. Các phụ tải lớn (không được thể hiện trong hình trên) thường đấu nối trực tiếp vào cấp trung thế.

Điện áp trung thế được hạ áp xuống cấp hạ thế để đấu nối vào các phụ tải trong nhà máy. Những phụ tải này có thể là các động cơ xoay chiều AC, các điện trở đốt nóng hoặc chiếu sáng, các thiết bị điện tử công suất như biến tần, … Các hệ thống bù công suất phản kháng (CSPK) có thể được lắp ở phía trung thế và/hoặc hạ thế của lưới điện.

Chúng ta có thể phân phụ tải làm 2 loại chính:

● Tải tuyến tính
● Tải phi tuyến tính

Một phụ tải tuyến tính là phụ tải có dạng sóng dòng điện giống dạng sóng của điện áp (dạng sóng hình sin). Các động cơ, đèn sợi đốt, các vật liệu đốt nóng dùng điện trở, tụ điện, điện kháng là các phụ tải tuyến tính.

Các thiết bị công nghiệp có tích hợp các mạch điện tử công suất thường là các tải phi tuyến (máy hàn, lò hồ quang, lò trung tần, bộ nạp ắc quy), biến tần cho động cơ AC DC, nguồn dự phòng UPS, các thiết bị văn phòng (máy tính, máy in, server, …) là tải phi tuyến. Dòng điện của các phụ tải này méo mó và không có dạng hình sin.

Những phụ tải phi tuyến tạo ra dòng điện sóng hài chạy khắp hệ thống điện và gây ra sóng hài trên điện áp thông qua trở kháng của hệ thống. Sóng hài dòng điện ảnh hưởng tới các thiết bị mắc nối tiếp với nguồn hài, trong khi sóng hài điện áp gây ảnh hưởng các thiết bị mắc song song với nguồn hài.

ẢNH HƯỞNG KỸ THUẬT

Dòng điện sóng hài méo mó gây ra bởi các phụ tải phi tuyến sẽ làm biến dạng điện áp hệ thống. Mức độ biến dạng của điện áp phụ thuộc vào điện kháng hệ thống. Thường thì điện kháng hệ thống tương đối nhỏ nên sóng hài điện áp nhỏ hơn nhiều sóng hài trên dòng điện.

Sóng hài làm tăng giá trị RMS của dòng điện. Việc này làm tăng tổn thất công suất tác dụng (P) và gây ra quá tải trên hệ thống.

Các thiết bị, phần tử nối tiếp với nguồn sóng hài thường là cáp dẫn điện, máy cắt, máy biến áp. Dòng RMS cao hơn gây thêm tổn thất trên các phần tử này và buộc người thiết kế phải tăng dự phòng sóng hài. Điều này sẽ làm tăng chi phí đầu tư thiết bị. Nếu các nhà máy lân cận có lượng sóng hài lớn thì MBA đầu vào phải được tăng công suất để dự phòng và làm tăng giá trị của hợp đồng mua bán điện.

Dòng sóng hài cũng có thể gây ra biến dạng trên điện áp hệ thống và có thể làm trip các thiết bị khác trong nhà máy, gây ra mất điện hệ thống. Dòng điện chạy qua các tụ bù CSPK có thể tăng lên đột biến và gây quá tải hệ thống bù. Cộng hưởng với sóng hài gây ra quá áp nguy hiểm làm hư hỏng thiết bị khác.

ẢNH HƯỞNG KINH TẾ

Một trong các ảnh hưởng lớn nhất của sóng hài là việc làm tăng giá trị RMS của dòng điện và làm giảm chất lượng điện áp. Những ảnh hưởng này dễ bị bỏ qua nhưng gây ra hậu quả không nhỏ về kinh tế. Đó là lí do việc áp dụng giải pháp lọc sóng hài thích hợp sẽ làm tăng tính cạnh tranh cho doanh nghiệp theo nhiều cách khác nhau như sau:

● Giảm quá tải hệ thống, từ đó cải thiện hiệu suất vận hành,
● Giảm tốn thất hệ thống và điện năng tiêu thụ,
● Giảm nguy cơ mất điện,
● Kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Tổng độ méo hài THD (Total Harmonic Distortion) là chỉ số thường được dùng để đánh giá mức độ biến dạng của một tín hiệu xoay chiều. Độ biến dạng điện áp THDu dùng ở cấp hệ thống, trong khi độ biến dạng dòng điện THDi được dùng ở cấp thiết bị.

LỢI ÍCH CỦA VIỆC XỬ LÝ SÓNG HÀI

GIẢM CHI PHÍ ĐẦU TƯ (CAPEX)

Tiết kiệm trên Capex là mối quan tâm thường trực của các chủ đầu tư. Quản lý sóng hài mang lại cơ hội tiết kiệm đáng kể. Chúng ta sẽ tập trung vào phần chi phí thiết bị và sẽ không bàn luận về các khoản tiết kiệm khác như tiết kiệm không gian hoặc nhân công.
Việc lọc sóng hài làm giảm giá trị RMS của dòng điện và do đó làm giảm kích thước của cáp, định mức của máy cắt và công tắc tơ.

GIẢM CHI PHÍ VẬN HÀNH (OPEX)

● Giảm thiểu sóng hài nói chung góp phần giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp, cáp, thiết bị đóng cắt …
● Giảm thiểu sóng hài cho phép giảm lượng điện năng tiêu thụ đã đăng ký với điện lực địa phương. Trong hầu hết các trường hợp, khoản tiết kiệm có thể lên đến 10% hóa đơn tiền điện.

CẢI THIỆN HIỆU QUẢ KINH DOANH

Sóng hài là nguyên nhân làm tăng giá trị RMS dòng điện, dẫn đến tổn thất điện năng và gây tăng nhiệt trong máy biến áp, cáp, động cơ, tụ điện…
Hậu quả có thể là các lỗi trip máy cắt hoặc rơ le bảo vệ, và giảm tuổi thọ của thiết bị. Ví dụ, động cơ hoạt động với mức tăng nhiệt khoảng 10 ° C sẽ bị giảm tới 50% tuổi thọ vận hành.
Sóng hài có thể làm tăng chi phí bảo trì và sửa chữa đáng kể, nhưng chi phí đó vẫn còn tương đối thấp so với đối với những tổn thất tài chính liên quan đến việc gián đoạn chu trình sản xuất.
Dưới đây là một số ví dụ về tổn thất tài chính liên quan đến các sự số về điện trong một số ngành giá trị cao:

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SÓNG HÀI

CUỘN KHÁNG NỐI TIẾP

Cuộn kháng nối tiếp là một trong những phương pháp đơn giản nhất để giảm sóng hài, cuộn kháng này được mắc nối tiếp với phụ tải phi tuyến như biến tần nhằm làm tăng tổng điện kháng nhìn từ phía nguồn về tải. Bằng cách này, cuộn kháng sẽ giúp giảm sóng hài cũng như hấp thụ các quá độ điện áp nguy hiểm có thể làm biến tấn trip vì quá áp. Độ biến dạng và dải tần số sóng hài phụ thuộc vào tổng điện kháng giữa cuộn kháng và phụ tải. Cường độ sóng hài của dòng điện biến tần phụ thuộc vào loại chỉnh lưu và điện kháng nguồn.

Điện kháng của cuộn kháng phụ thuộc vào mức tải. Ví dụ, nếu một cuộn kháng 5% được mắc nối tiếp với một phụ tải chỉ ở mức 50% dòng tải định mức thì điện kháng hiệu dụng của cuộn kháng cũng giảm 50%, từ 5% xuống còn 2.5%. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, điện kháng nguồn thưởng rất thấp so với phụ tải nên dù tải thấp thì tổng điện kháng của cuộn kháng và phụ tải vẫn có giá trị điện kháng lớn hơn phía nguồn. Thông thường, cuộn kháng nối tiếp có giá trị điện kháng từ 3% tới 6% để cải thiện chất lượng điện.

BIẾN ÁP CÁCH LY

Cũng giống như cuộn kháng, điện kháng của máy biến áp (MBA) đủ nhỏ cho dòng điện 50Hz đi qua và tăng tỉ lệ thuận với tần số sóng hài. Do đó, có thể coi MBA có tác dụng tương đương với một cuộn kháng mắc nối tiếp. Thêm vào đó, giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của MBA cách ly có màn chắn tĩnh điện, giữa màn chắn này và cuộn dây sẽ có một điện dung ký sinh tạo ra một đường điện kháng thấp có khả năng làm giảm nhiễu, các quá độ và dòng thứ tự không. Người ta thường lắp MBA cách ly có cấu hình đấu tam giác (sơ cấp)-sao (thứ cấp) cho mục đích cải thiện chất lượng điện năng.

Để có thể có hiệu suất giảm sóng hài tốt nhất, MBA cách ly hoặc cuộn kháng nối tiếp cần được thiết kế chịu được dòng tải định mức và tính toán điện kháng dựa trên dòng và áp định mức.

BỘ LỌC THỤ ĐỘNG

Có thể lọc sóng hài theo 2 cách: thụ động và tích cực. Giải pháp đơn giản nhất thường được sử dụng là lọc thụ động. Mặc dù đơn giản, nhưng các tương tác của hệ thống lưới phân phối với bộ lọc thụ động không phải lúc nào cũng theo ý muốn của người thiết kế. Bộ lọc thụ động có thể được tinh chỉnh để chỉ lọc một dải tần số sóng hài nhất định.

Một bộ lọc thụ động thông thường bao gồm các phần tử cuộn kháng, tụ điện và điện trở kết hợp với nhau để kiểm soát sóng hài.

Một số cấu hình bộ lọc thụ động thường thấy như sau:

Để có hiệu quả lọc sóng hài cao nhất, người thiết kế phải nắm vững các kiến thức về điện kháng hệ thống, cộng hưởng, đặc tính tần số của các phần tử trong bộ lọc. Các biến đổi về tần số của hệ thống cũng như sai số nội tại của các phần tử của bộ lọc ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả lọc sóng hài. Trong tương lai, với các quy định chặt chẽ hơn về sóng hài thì các bộ lọc thụ động có thể không còn đáp ứng được và phải được thay thế bằng thiết bị mới.

BỘ LỌC TÍCH CỰC

Công nghệ lọc sóng hài tiên tiến nhất hiện nay là lọc sóng hài tích cực. Các bộ lọc tích cực có thể được tích hợp vào bộ phận chỉnh lưu của các thiết bị như biến tần, UPS hoặc các thiết bị điện tử công suất khác.

Bộ lọc tích cực sẽ đo dòng điện của tải, tách thành phần cơ bản 50Hz ra khỏi tín hiệu đo lường dòng điện, phân tích các thành phần tần số còn lại trong tín hiệu và sau đó bơm dòng bù ngược lại để triệt tiêu từng bậc sóng hài. Thông thường, bộ lọc tích cực có thể lọc tới bậc hài thứ 50 và đạt được độ biến dạng sóng hài sau khi lọc dưới 5% hoặc thấp hơn. Để lắp đặt bộ lọc tích cực, cường độ sóng hài trong hệ thống phải được đo lường và xác định, sau đó chọn bộ lọc có công suất tương ứng.

Bộ lọc sóng hài tích cực có khả năng thích ứng với các thay đổi về đặc tính hệ thống mà không bị suy giảm hiệu suất lọc như các bộ lọc thụ động. Ngoài ra, bộ lọc tích cực cho phép người vận hành mở rộng công suất bộ lọc mà không cần phải tính toán thiết kế chi tiết. Các tính năng lọc từng bậc làm tăng sự mềm dẻo trong việc cấu hình bộ lọc cho từng hệ thống.

THAM KHẢO

Harmonics (electrical power) – Wikipedia

Hệ thống lọc sóng hài trung thế

Hệ thống lọc sóng hài hạ thế tại Bana Hills Resorts – Sungroup