Tóm tắt
HV SVG (Máy phát var tĩnh) đại diện cho công nghệ bù công suất phản kháng tiên tiến nhất trong các hệ thống điện hiện đại. Với các thuật toán điều khiển nâng cao, nó cũng có thể thực hiện bù hài. Tuy nhiên, các ứng dụng hiện trường đã tiết lộ một hiện tượng phản trực giác: trong khi sóng hài dòng điện và điện áp phía hệ thống giảm trong quá trình bù, sóng hài dòng điện phía tải tăng lên đáng kể. Bài báo này điều tra vấn đề này thông qua phân tích lý thuyết, mô hình hóa và mô phỏng, cung cấp thông tin chi tiết thực tế để triển khai hiệu quả các hệ thống bù hài.
Từ khóa: Bù hài; Máy phát var tĩnh (SVG)
I. Giới thiệu
Việc sử dụng rộng rãi các tải phi tuyến — chẳng hạn như lò hồ quang, lò cảm ứng tần số trung bình, lò hồ quang chìm, bộ truyền động biến tần điện áp thấp (VFD) và bộ chỉnh lưu — đã dẫn đến các vấn đề về chất lượng điện năng ngày càng nghiêm trọng trong lưới điện, bao gồm sóng hài, nhấp nháy điện áp, mất cân bằng, quá áp và thiếu điện áp. Những nhiễu loạn này không chỉ đe dọa hoạt động của các thiết bị nhạy cảm, có độ chính xác cao mà còn làm tăng tổn thất trong cơ sở hạ tầng truyền tải và phân phối. Trong số những vấn đề này, sóng hài gây ra những rủi ro đặc biệt nghiêm trọng, làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng và gây ra hiện tượng quá nhiệt, rung, tiếng ồn, lão hóa cách điện và thậm chí là hỏng hóc nghiêm trọng trong thiết bị điện.
Các giải pháp giảm thiểu sóng hài phổ biến bao gồm bộ lọc thụ động (FC) và bộ lọc công suất chủ động (APF). Trong khi APF thường được triển khai ở mức điện áp thấp (ví dụ: 380 V hoặc 660 V), các hệ thống trung thế và cao áp (10 kV / 35 kV) thường dựa vào SVG cầu chữ H xếp tầng với các chiến lược điều khiển được sửa đổi để đạt được công suất phản kháng tích hợp và bù hài.
SVG, dựa trên các thiết bị IGBT được điều khiển hoàn toàn, thay thế các tụ điện và lò phản ứng cồng kềnh bằng các thiết bị điện tử công suất chuyển mạch nhanh, cho phép bù động, mượt mà và chính xác. Bằng cách tinh chỉnh thuật toán điều khiển của nó, SVG có thể đồng thời bù công suất phản kháng và triệt tiêu sóng hài.
Bài báo này trình bày nguyên tắc bù sóng hài của SVG, báo cáo về ứng dụng trong thế giới thực và phân tích sự gia tăng bất ngờ của sóng hài phía tải thông qua mô phỏng và mô hình lý thuyết.
II. Nguyên tắc bù hài của SVG
a. Hoạt động SVG cơ bản
Bảng 1: Nguyên tắc nhà nước hoạt động
SVG là một bộ bù công suất phản kháng động tĩnh, phản hồi nhanh. Nó kết nối một mạch cầu tự giao hoán — bao gồm nhiều mô-đun cầu H được kết nối nối tiếp — với lưới điện thông qua lò phản ứng hoặc máy biến áp (Hình 1). Bằng cách điều chỉnh biên độ và pha của điện áp đầu ra phía AC (hoặc điều khiển trực tiếp dòng điện đầu ra), SVG sẽ bơm hoặc hấp thụ công suất phản kháng khi cần thiết.
Hình 1: Sơ đồ hệ thống SVG xếp tầng điện áp cao
Trong các ứng dụng điện áp cao, nhiều mô-đun cầu chữ H được xếp tầng mỗi pha, với tỷ lệ số theo mức điện áp. Tín hiệu điều khiển được truyền qua sợi quang để đảm bảo cách ly điện và chống nhiễu (Hình 2).
Hình 2: Sơ đồ cấu trúc điện của hệ thống SVG
SVG liên tục theo dõi điện áp hệ thống, dòng điện hệ thống và dòng tải, sau đó tự động điều chỉnh đầu ra của nó để duy trì các giá trị mục tiêu cho công suất phản kháng, điện áp hoặc hệ số công suất tại điểm ghép nối chung.
b. Cơ chế bù hài
Nguyên lý hoạt động của SVG trung thế có khả năng lọc chủ động sử dụng điều khiển dòng điện một chiều được minh họa trong Hình 3. Từ hình này, có thể suy ra phương trình (1), chỉ ra rằng dòng điện nguồn là tổng vectơ của dòng tải và dòng bù:
Hình 3: Nguyên lý làm việc của máy phát var tĩnh sử dụng điều khiển dòng điện một chiều
Giả sử dòng tải chứa dòng điện trình tự dương cơ bản (bao gồm cả thành phần phản kháng và hoạt động trình tự dương cơ bản), dòng điện trình tự âm cơ bản và dòng điện hài, nó có thể được biểu thị như sau:
Để loại bỏ các thành phần phản ứng dãy dương cơ bản và các thành phần dãy âm cơ bản khỏi dòng điện nguồn, dòng điện đầu ra SVG phải thỏa mãn Phương trình (3):
Kết quả là, dòng điện nguồn sẽ chỉ chứa thành phần hoạt động trình tự dương cơ bản và dòng điện hài, như thể hiện trong Phương trình (4):
Do đó, việc đạt được bù mong muốn phụ thuộc vào việc kiểm soát chính xác dòng điện đầu ra SVG để đáp ứng yêu cầu trong Công thức (3).
Từ mô tả trên về nguyên lý hoạt động của SVG, rõ ràng là nếu SVG triệt tiêu sóng hài tải ngoài việc bù công suất phản kháng, nó chỉ cần tạo ra các dòng điện hài tương ứng. Do đó, SVG có thể đồng thời thực hiện các mục tiêu kép: bù dòng điện phản kháng và giảm thiểu dòng điện hài.
Các thuật toán phát hiện sóng hài khác nhau có thể được sử dụng cho mục đích này, chẳng hạn như phát hiện sóng hài chọn lọc dựa trên tọa độ quay, FFT (Biến đổi Fourier nhanh) và lý thuyết công suất phản kháng tức thời, trong số những thuật toán khác.
III. Quan sát hiện trường và phân tích vấn đề
a. Nghiên cứu điển hình: Một nhà máy giấy ở Trung Quốc
Cơ sở này được cung cấp bởi lưới điện 35 kV thông qua hai máy biến áp chính 10 kV (một hoạt động, một máy dự phòng). Xe buýt 10 kV phục vụ ~ 60 bộ nạp và hai đơn vị tự phát điện. Tải phi tuyến chính bao gồm bộ chỉnh lưu clo điôxít, bộ chỉnh lưu clo-kiềm và VFD, tạo ra sóng hài thứ 5 và thứ 7 chiếm ưu thế, với sóng hài thứ 5 vượt quá giới hạn tiện ích.
Hình 4: Sơ đồ hệ thống chính của nguồn điện tại chỗ
Một SVG 10 kV / 5 Mvar đã được lắp đặt trên bus 10 kV để giảm thiểu sóng hài thứ 5. Dữ liệu sau vận hành (Bảng 2) cho thấy:
Bảng 2: Ảnh hưởng của bù hài
Trong khi sóng hài phía hệ thống giảm, tổng dòng sóng hài thứ 5 phía tải tăng từ 93 A lên 152 A - tăng 63% - mặc dù giới hạn bù 96 A của SVG.
Các phép đo sóng hài điện áp xác nhận triệt tiêu thành công ở bus 10 kV (Hình 5), loại trừ cộng hưởng hoặc bù quá mức.
Hình 5: Sóng hài của điện áp bus 10kV trước (trái) và sau (phải) bù
b. Phân tích nguyên nhân gốc rễ
Hiện tượng này bắt nguồn từ trở kháng bên trong không đáng kể ((Z_1)) của hệ thống cung cấp tương đối yếu. Dòng sóng hài tải phụ thuộc vào:
Điện áp lưới ((V))
Trở kháng nguồn ((Z_1))
Trở kháng tải ((Z_2))
Trước khi bù, dòng điện hài chạy qua (Z_1) gây ra biến dạng điện áp tại điểm kết nối. Sau khi bù SVG, dòng điện hài ít hơn quay trở lại nguồn, giảm biến dạng điện áp và tăng hiệu quả công suất ngắn mạch biểu kiến của lưới điện. Do đó, cùng một tải phi tuyến tạo ra nhiều dòng điện hài hơn do chất lượng điện áp được cải thiện — một hiệu ứng "khuếch đại sóng hài" đã được ghi nhận rõ ràng trong lưới điện yếu.
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý bù sóng hài SVG
IV. Xác nhận mô phỏng
Một mô hình Simulink của hệ thống 10 kV đã được xây dựng (Hình 7), với bộ điều khiển SVG được triển khai như một hàm S dựa trên C (Hình 8). Tải bao gồm một bộ chỉnh lưu diode ba pha với lò phản ứng đầu vào và đầu ra RC.
Hình 7: Mô phỏng Simulink bù sóng hài SVG lưới 10kV
Hình 8: Cài đặt của mô-đun chức năng S
Hai kịch bản đã được thử nghiệm:
(1) Tỷ lệ trở kháng nguồn trên tải = 1:10
Hình 9: Dạng sóng kết quả mô phỏng với tỷ lệ trở kháng 1:10
Dòng sóng hài tải tăng từ 81.63% lên 85.09% THD
Điện áp hệ thống và sóng hài dòng điện giảm đáng kể
Bảng 3: So sánh sóng hài trước và sau khi bù sóng hài với tỷ lệ trở kháng 1:10
(2) Tỷ lệ trở kháng = 1: 1 (lưới yếu hơn)
Hình 10: Dạng sóng kết quả mô phỏng với tỷ lệ trở kháng 1: 1
Dòng sóng hài tải tăng lên 105,31% THD
Xác nhận rằng lưới yếu hơn làm trầm trọng thêm sự khuếch đại sóng hài phía tải
Dạng sóng (Hình 9–10) cho thấy rõ ràng sự biến dạng dòng tải tăng mặc dù dạng sóng phía hệ thống sạch hơn.
Bảng 4: So sánh sóng hài chuyển tiếp trước và sau khi bù sóng hài với tỷ lệ trở kháng 1: 1
V. Kết luận
Nghiên cứu này chứng minh rằng trong khi SVG điện áp cao làm giảm hiệu quả sóng hài phía hệ thống, chúng có thể vô tình làm tăng dòng điện hài phía tải trong các tình huống lưới điện yếu do chất lượng điện áp được cải thiện. Hiệu ứng tăng lên khi tỷ lệ trở kháng nguồn trên trở kháng tải giảm.
Do đó, khi thiết kế hệ thống bù hài:
Không định kích thước dung lượng SVG chỉ dựa trên sóng hài tải đo được
Tính đến cường độ lưới điện (công suất ngắn mạch) và đặc tính trở kháng
Xem xét các giải pháp kết hợp (ví dụ: SVG + bộ lọc thụ động) cho các ứng dụng quan trọng
Những phát hiện này cung cấp hướng dẫn có giá trị để triển khai an toàn và hiệu quả giảm thiểu sóng hài dựa trên SVG trong các hệ thống điện công nghiệp.
.jpg?imageView2/1/format/webp)
Chào mừng bạn đến hỏi