Bộ lọc sóng hài tích cực (Active Harmonic Filter)
Bộ lọc sóng hài tích cực được sản xuất để khử sóng hài trong hệ thống điện, bộ lọc được sử dụng rộng rãi ở các nước tiên tiến, và tại Việt Nam đây là dòng sản phẩm mới để đáp ứng tiêu chuẩn ngày càng cao của ngành điện.
Bộ lọc sóng hài tích cực lọc được nguồn sóng hài gây ra từ phụ tải cũng như từ nguồn cung cấp. Có rất nhiều nguyên nhân tạo ra nguồn sóng hài trong hệ thống điện công nghiệp, chúng đều có một đặc điểm chung là quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và điện áp hoạt động. Tải phi tuyến có dòng không liên tục và không tương ứng với dạng sóng điện áp giáng lên nó. Tất cả các thiết bị biến đổi dạng sóng sin của điện áp hay dòng điện đều là nguồn gây ra hài.
Bộ lọc sóng hài tích cực đáp ứng tốt với các nguồn sóng hài:
A.Nguồn phi tuyến, chủ yếu từ các thiết bị điện tử công suất:
– Diode (Chỉnh lưu dạng đơn giản), transistor
– SCR hay thyristor được sử dụng rộng rãi trong nhiều các ứng dụng điều khiển hay điều tiết
– Điều khiển đầu ra chỉnh lưu, UPS, STARCOM,
– Bộ biến đổi tần số, điều tốc DC-AC.
– Lò luyện hồ quang, máy hàn hồ quang…
B.Nguồn phi tuyến từ các thiết bị truyền tải trên lưới điện 500kV, 220kV, 110kV:
– Đóng cắt thiết bị tự cảm (máy biến áp quá tải hoạt động ở vùng bão hòa từ, máy biến điện áp, biến dòng, máy phát điện, bộ điều tốc turbine…).
– Từ các động cơ xoay chiều trên lưới, nguồn từ máy biến áp phân phối sử dụng sơ đồ đấu dây ∆⁄Y thì khi cấp nguồn cho động cơ 1 pha hay 3 pha thì sóng hài bậc 3 gây ra THD khoảng 10% đến 30%.
Tác hại sóng hài
Đối với hệ thống điện truyền tải, sóng hài gây ra tác động nhầm trip máy cắt đầu cực, gây mất ổn định cung cấp điện, do đó sự phát hiện bảo vệ lưới điện trước sóng hài là cần thiết, các role có thể tính toán và chỉnh định với cả hài bậc lẻ và chẵn (và cả thành phần dòng thứ tự 0) để bảo đảm không nhầm lẫn giữa trường hợp khởi động và sự cố.
Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, tăng tổn hao, giảm dung lượng truyền tải.
Làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi. Các sóng điều hòa bậc cao còn có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS đồng thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA dẫn đến làm tăng tổn thất điện năng.
Gây cháy máy biến áp
Ngoài ra, sóng hài còn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch. Nguy hại hơn, các sóng điều hòa bậc cao còn có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ; làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng đến con người đồng thời gây bức xạ sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng, ô nhiễm điện từ trường.
Cộng hưởng cơ khí gây phá vỡ
Bộ lọc sóng hài tích cực là thiết bị đáp ứng nhanh để giải quyết được các vấn đề trên lưới, giảm độ méo dạng sóng hài về tiêu chuẩn, tăng hệ số công suất, ổ định điện áp làm việc, tăng độ cung cấp điện, giảm tổn thất lưới điện.
Bộ lọc sóng hài tích cực (Active Harmonic Filter)
* Nhiệm vụ bộ lọc sóng hài tích cực:
a. Bù công suất: Bộ lọc sóng hài tích cực thực hiện bù công suất phản kháng, đồng thời với chức năng lọc thì các cấu hình thiết kế, có thể chỉ giới hạn ở mức độ công suất nhỏ. Do nhiều thiết bị bù tuy có đáp ứng chậm hơn nhưng giá thành rẻ, ví dụ bù bằng SVC –đóng ngắt bằng thyristor.
b. Bù sóng hài điện áp: Bộ lọc sóng hài tích cực được xem xét đến khi phụ tải nhạy cảm với sự xuất hiện sóng hài điện áp từ nguồn. Bù điện áp ít được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì nguồn thường có trở kháng thấp và điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố tang hoặc giảm áp. Bù điện áp thường đấu nối nối tiếp với hệ thống tải, tốc độ đáp ứng khoảng vài chục μs đến vài ms.
c. Bù sóng hài dòng điện: Bộ lọc sóng hài tích cực (Active Harmonic Filter) bù các thành phần sóng hài dòng điện có ý nghĩa quan trọng đối các tải công suất nhỏ và vừa. Việc giảm thành phần sóng hài dòng điện trong lưới còn có tác dụng giảm độ méo dạng điện áp lưới tại điểm đấu dây chung. Bù dòng điện thường được đấu nối song song với tải, tốc độ đáp ứng khoảng vài chục ms. Bù sóng hài dòng điện, bù công suất phản kháng, bù thành phần dòng điện không đối xứng, giảm nhấp nháy điện áp.
Cấu tạo bộ lọc sóng hài tích cực:
Bộ lọc sóng hài tích cực được cấu thành từ 5 thành phần chính như sau:
1. Cầu chì đáp ứng nhanh nhằm bảo vệ quá dòng trong hệ thống bộ lọc sóng hài tích cực.
2. Module tiêu tán dòng điện nhấp nhô: nhằm hấp thụ dòng điện nhấp nhô ở tần số cao, cung cấp công suất phản kháng bởi bộ mạch LC hợp khối, kết nối nối tiếp với đầu ra bộ AHF, thành phần chính bao gồm:
– Bộ lọc cộng hưởng kết nối song song và nối tiếp.
– Relay bảo vệ quá dòng
– Mạch điều khiển bảo vệ các trường hợp bất thường như hỏng IGBT, hỏng cách điện…
3. Module khởi động từ: để hạn chế biên độ của dòng khởi động (inrush current) của hệ thống tụ DC khi đang tích điện, ngăn chặn sự gia tăng do biến động của dòng khởi động khi hệ thống tụ DC đang nạp, khi điện áp trên tụ DC đạt đến định mức bộ lọc sóng hài tích tích sẽ chuyển sang chế độ vận hành bình thường, nhờ đó loại trừ được sự quá áp trên tụ. Thành phần chính bao gồm:
– Điện trở hạn dòng
– Các khởi động từ điều khiển.
Module này sẽ ngăn cản sự ảnh hưởng của dòng khởi động đi vào bộ IGBT và đi vào module tụ điện DC trong phạm vi cho phép. Sau khi bộ lọc sóng hài tích cực AHF bậc chế độ hoạt động, khởi động từ sẽ dóng để ngắn mạch bộ điện trở hạn dòng và kết nối với IBGT (Insulated Gate Bipolar Transistor) để bù công suất vào lưới điện.
4. Module mạch LC sóng nhấp nhô tần số cao: Các cuộn cảm và tụ điện làm nhiệm vụ truyền tải công suất giữa bộ chuyển đổi điện IGBT và các hệ thống năng lượng, từ đó đưa công suất từ bộ lọc sóng hài tích cực vào hệ thống để bù công suất, giữ vững trị số công suất Power Factor (PF) hoặc nâng hệ số PF khi cần thiết. Các thành phần chính trong module này gồm:
– Cuộn kháng đáp ứng tần số cao
– Tụ điện đáp ứng tần số cao
– Máy biến dòng điện
– Máy biến dòng điện nhằm trả lại thành phần dòng bù song hài vào mạch điều khiển, nhằm cho phép bộ lọc sóng hài tích cực AHF bù với tốc độ cao và nhằm giới hạn dòng để tránh vượt quá ngưỡng chịu đựng của AHF.
– Trong điều kiện vận hành bình thường, module này sẽ cung cấp một công suất phản kháng để bù lại sự suy giảm của hệ số PF. Công suất phản kháng này là cố định cài đặt trước, và thành phần bù lọc sóng hài sẽ là thông số thay đổi trên nền công suất phản kháng cố định.
5. Module bộ cầu chỉnh lưu điện áp IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor): đây là thành phần cấu tạo chính của bộ lọc sóng hài tích cực AHF trong việc khử bỏ sóng hài sinh ra từ tải phi tuyến. Bộ biến đổi công suất IGBT sẽ tạo ra một dòng điện nghịch pha với dòng hài và trả lại lưới điện để cân bằng, điều này sẽ khử được sóng hài trong hệ thống, tạo ra một dạng sóng sine chuẩn trả lại hệ thống. Thành phần chính trong bộ biến đổi công suất IGBT:
– Cầu chỉnh lưu transitor IGBT
– Mạch điều khiển
– Bộ làm mịn (điểm nhọn đầu).
Thành phần chính cấu tạo nên IGBT là các cầu chỉnh lưu điện áp công suất lớn, sử dụng công nghệ điều chế xung rộng Pulse With Modulator (PWD) điều khiển các IGBT để tạo ra dạng sóng dòng điện bù. Hệ thống làm mịn sóng sẽ được cấu trúc cùng IGBT nhằm bảo vệ IGBT các điểm nhọn đầu của sóng hài.
6. Module tụ điện một chiều DC: tổ hợp này sẽ dự trữ năng lượng từ lưới điện để cấp cho IGBT trước khi IGBT thực hiện quá trình nghịch lưu tạo ra dòng nghịch pha trả lại lưới. Việc nạp và xả năng lượng của module này sẽ được điều khiển theo bằng điện của bộ IGBT.
Các module tụ một chiều DC được xác định cụ thể trong hệ đơn vị SI là điện dung (F) để đảm bảo dự trữ năng lượng cần thiết cho bộ lọc sóng hài tích cực hoạt động, có thể kết nối nhiều bộ tụ song song để đáp ứng yêu cầu.
Vị trí đấu nối:
Có nhiều phương án lắp đặt như:
– Lắp đặt tại đầu ra của phụ tải gây ra sóng hài:
+ Ưu điểm: Hiệu quả lọc tốt nhất. Thích hợp với nhà máy chỉ có ít phụ tải và công suất của phụ tải lớn.
+ Nhược điểm: Với nhà máy có nhiều phụ tải nhỏ thì tổng chi phi đầu tư sẽ rất lớn
– Lắp đặt tại tủ điện đầu vào:
+ Ưu điểm: Giảm giá thành lắp đặt khi trong nhà máy có nhiều phụ tải, giảm triệt để sóng hài từ nhà máy đi vào lưới điện.
+ Nhược điểm: Thiết bị đấu nối giữa tủ lộ tổng và phụ tải vẫn bị ảnh hưởng của sóng hài. Do vậy phương án này chỉ áp dụng khi nhà máy có nhiều phụ tải nhỏ và tập trung, được cấp điện trực tiếp từ tủ tổng.
Ứng dụng
Ứng dụng bộ lọc sóng hài tích cực trong dự án:
a/ Ứng dụng:
Bộ lọc tích cực AHF được ứng dụng trong các ngành công nghiệp:
– Nhà máy thép luyện thép, nhà máy cán thép.
– Nhà máy sản xuất cement.
– Nhà máy sản xuất oto.
– Khách sạn, khu nghỉ mát Resort
– Đường sắt chạy điện
– Tuyến tàu điện Metro
– Hệ thống cáp treo
– Khu thương mại, building
– Khu công nghệ cao sản xuất thiết bị điện tử.
– Nhà máy sản xuất giấy và bột giấy
– Hệ thống làm lạnh Chiller.
– Xưởng in ấn
– Nhà máy dệt may.
– Các phòng thí nghiệm điện, xưởng bảo
– Và tất cả các nhà máy sản xuất công nghiệp loại khác
b/ Ưu điểm vượt trội bộ lọc sóng hài tích cực (Active Harmonic Filter):
· Lọc đến bậc sóng hài 50 và giảm đến 99% sóng hài sinh ra.
· Giảm THD, lọc đến bậc sóng hài 50 và giảm đến 99% sóng hài sinh ra.Giảm nhấp nháy điện áp.
· Bù Công suất phản kháng cực nhanh, tăng PF
· Cân bằng phụ tải giữa các pha và dây trung tính.
· Phát hiện và ngăn chặn dòng cộng hưởng.
· Độ tin cậy cao, thời gian đáp ứng <21µs, đáp ứng tức thời với sự thay đổi hệ thống.
· Tiêu hao nhỏ theo 3 cấp NPC topology.
· Kết nối Ethernet và EtherCat.
· Giao diện đơn giản với người vận hành.
· Có chức năng phân tích chất lượng điện năng.
· Làm mát không khí hoặc nước
· Giao diện đơn giản dễ sử dụng với màn hình cảm ứng.
· Đặc tính của thiết bị lọc không ảnh hưởng bởi nguồn và không cộng hưởng với hệ thống nên hoạt động an toàn.
· Thi công đấu nối dễ dàng.
