Tóm tắt
HV SVG (Máy phát Static Var) đại diện cho công nghệ bù công suất phản kháng tiên tiến nhất trong các hệ thống điện hiện đại. Với thuật toán điều khiển nâng cao, nó cũng có thể thực hiện bù điều hòa. Tuy nhiên, các ứng dụng thực địa đã tiết lộ một hiện tượng ngược đời: trong khi các hài dòng điện và điện áp phía hệ thống giảm trong quá trình bù trừ, thì các hài dòng điện phía tải lại tăng đáng kể. Bài báo này nghiên cứu vấn đề này thông qua phân tích lý thuyết, mô hình hóa và mô phỏng, cung cấp những hiểu biết thực tiễn để triển khai hiệu quả các hệ thống bù điều hòa.
Từ khóa: Bù trừ hài hòa; Bộ tạo biến đổi tĩnh (SVG)
I. Giới thiệu
Việc sử dụng rộng rãi các tải phi tuyến — như lò hồ quang, lò cảm ứng tần số trung bình, lò hồ quang ngập nước, bộ điều khiển tần số biến đổi điện áp thấp (VFD) và bộ chỉnh lưu — đã dẫn đến các vấn đề chất lượng điện ngày càng nghiêm trọng trong lưới điện, bao gồm hài âm, nhấp nháy điện áp, mất cân bằng, quá áp và điện áp thấp. Những nhiễu loạn này không chỉ đe dọa hoạt động của thiết bị nhạy cảm có độ chính xác cao mà còn làm tăng tổn thất trong hạ tầng truyền tải và phân phối. Trong số các vấn đề này, hài âm gây ra những rủi ro đặc biệt nghiêm trọng, làm giảm hiệu quả năng lượng và gây quá nhiệt, rung động, tiếng ồn, cách điện lão hóa và thậm chí là hỏng hóc nghiêm trọng trong thiết bị điện.
Các giải pháp giảm thiểu điều hòa 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 và cao (10 kV/35 kV) thường dựa vào các SVG cầu H nối chuỗi với các chiến lược điều khiển được điều chỉnh để đạt được công suất phản kháng tích hợp và bù hài âm.
SVG, dựa trên các thiết bị IGBT điều khiển hoàn toàn, thay thế các tụ điện và lò phản ứng cồng kềnh bằng điện tử công suất chuyển đổi nhanh, cho phép bù trừ động, mượt mà và chính xác. Bằng cách tinh chỉnh thuật toán điều khiển, SVG có thể đồng thời bù cho công suất phản kháng và giảm các hài âm.
Bài báo này trình bày nguyên lý bù điều hòa của SVG, báo cáo về ứng dụng thực tế và phân tích sự gia tăng bất ngờ của các hài bên tải thông qua mô phỏng và mô hình lý thuyết.
II. Nguyên tắc bù trừ điều hòa của SVG
a. Hoạt động SVG cơ bản
Bảng 1: Nguyên tắc trạng thái vận hành
SVG là bộ bù công suất phản kháng động tĩnh, phản hồi nhanh. Nó kết nối một mạch cầu tự hoán mạch—bao gồm nhiều mô-đun cầu H nối tiếp—với lưới điện thông qua các 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 tiêm hoặc hấp thụ công suất phản kháng khi cần thiết.
Hình 1: Sơ đồ hệ thống SVG nối chuỗi điện áp cao
Trong các ứng dụng điện áp cao, nhiều mô-đun cầu H được nối chuỗi mỗi pha, với số hiệu được điều chỉnh theo mức điện áp. Tín hiệu điều khiển được truyền qua cáp quang để đảm bảo cách ly điện và chống nhiễu (Hình 2).
Hình 2: Sơ đồ sơ đồ cấu trúc điện của hệ thống SVG
SVG liên tục giám sát điện áp hệ thống, dòng điện hệ thống và dòng tải, sau đó điều chỉnh động đầu ra để duy trì các giá trị mục tiêu cho công suất phản kháng, điện áp hoặc hệ số công suất tại điểm liên kết chung.
b. Cơ chế bù điều hòa
Nguyên lý hoạt động của SVG trung áp với 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), cho biết dòng điện nguồn là tổng vectơ của dòng tải và dòng bù:
Hình 3: Nguyên lý hoạt động của máy phát biến đổi tĩnh sử dụng điều khiển dòng điện một chiều
Giả sử dòng tải chứa dòng điện dãy dương cơ bản (bao gồm cả các thành phần phản ứng và hoạt động dãy dương cơ bản), dòng điện dãy âm cơ bản và dòng điện điều hồi, nó có thể được biểu diễn như sau:
Để loại bỏ các thành phần phản ứng dãy dương cơ bản và dãy âm cơ bản khỏi dòng nguồn, dòng điện đầu ra SVG phải thỏa mãn Phương trình (3):
Kết quả là, dòng điện nguồn chỉ chứa các thành phần hoạt động dãy dương cơ bản và dòng điện điều hòa, như thể hiện trong Phương trình (4):
Do đó, việc đạt được sự bù đắp mong muốn phụ thuộc vào việc kiểm soát chính xác dòng điện đầu ra SVG để đáp ứng yêu cầu trong Phương trình (3).
Từ mô tả trên về nguyên lý hoạt động của SVG, có thể thấy rằng nếu SVG muốn triệt tiêu các hài tải ngoài việc bù công suất phản kháng, nó chỉ cần tạo ra các dòng hài tương ứng. Do đó, SVG có thể đồng thời thực hiện hai mục tiêu: bù dòng điện phản kháng và giảm thiểu dòng hài.
Nhiều thuật toán phát hiện hài hòa có thể được sử dụng cho mục đích này, như phát hiện điều hòa chọn lọc dựa trên tọa độ, FFT (Biến đổi Fourier nhanh), và lý thuyết công suất phản kháng tức thời, cùng nhiều thuật toán khác.
III. Quan sát thực địa 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 máy chủ động, một máy chờ). Xe buýt 10 kV phục vụ ~60 trạm cấp nguồn và hai đơn vị tự phát điện. Các tải phi tuyến chính bao gồm bộ chỉnh lưu chlorine dioxide, bộ chỉnh lưu chlor-alkali và VFD, tạo ra các hài bậc 5 và 7 chiếm ưu thế, trong đó các hài bậc 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 được lắp đặt trên bus 10 kV để giảm sóng hài bậc 5. Dữ liệu sau khi vận hành (Bảng 2) cho thấy:
Bảng 2: Ảnh hưởng của bù điều hòa
Trong khi các hài bên hệ thống giảm, tổng dòng điện hài bậc 5 bên tải tăng từ 93 A lên 152 A — tăng 63% — mặc dù SVG có giới hạn bù 96 A.
Các phép đo hài điện áp xác nhận khả năng giảm áp thành công tại bus 10 kV (Hình 5), loại trừ khả năng cộng hưởng hoặc bù trừ quá mức.
Hình 5: Hài điện áp bus 10kV trước (trái) và sau khi bù (phải)
b. Phân tích nguyên nhân gốc rễ
Hiện tượng này bắt nguồn từ trở kháng nội bộ không thể xem nhẹ ((Z_1)) của hệ thống cung cấp tương đối yếu. Dòng 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 biến dạng điện áp tại điểm kết nối. Sau khi bù SVG, dòng điện hài quay lại nguồn ít hơn, giảm méo điện áp và hiệu quả tăng khả năng ngắn mạch của lưới. Do đó, cùng tải phi tuyến này lại hút nhiều dòng hài hơn nhờ chất lượng điện áp được cải thiện—một hiệu ứng "khuếch đại hài hòa" đã được ghi nhận rõ ràng trong các lưới yếu.
Hình 6: Sơ đồ sơ đồ nguyên lý bù điều hòa SVG
IV. Xác thực 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 dưới dạng hàm S dựa trên C (Hình 8). Tải bao gồm một bộ chỉnh lưu diode ba pha với các bộ phản ứng đầu vào và đầu ra RC.
Hình 7: Mô phỏng Simulink của bù 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 hài tải tăng từ 81,63% lên 85,09% THD
Các hài điện áp và dòng điện của hệ thống giảm đáng kể
Bảng 3: So sánh các hài hòa tiến trước và sau bù điều hòa 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 hài tải tăng vọt lên 105,31% THD
Xác nhận rằng các lưới yếu hơn làm trầm trọng thêm sự khuếch đại điều hòa phía tải
Dạng sóng (Hình 9–10) rõ ràng cho thấy méo dòng tải tăng lên mặc dù dạng sóng bên hệ thống sạch hơn.
Bảng 4: So sánh hài hòa tiến trước và sau bù hài hòa với tỷ lệ trở kháng 1:1
V. Kết luận
Nghiên cứu này chứng minh rằng mặc dù SVG điện áp cao làm giảm hiệu quả các hài âm phía hệ thống, chúng có thể vô tình làm tăng dòng hài phía tải trong các kịch bản lưới yếu do chất lượng điện áp được cải thiện. Hiệu ứng này tăng lên khi tỷ lệ trở kháng nguồn và trở kháng tải giảm.
Do đó, khi thiết kế các hệ thống bù điều hòa:
Không nên định kích thước dung lượng SVG chỉ dựa trên các hài tải đo được
Tính đến cường độ lưới (công suất ngắn mạch) và đặc tính trở kháng
Xem xét các giải pháp lai (ví dụ: bộ lọc SVG + thụ động) cho các ứng dụng quan trọng
Những phát hiện này cung cấp hướng dẫn quý giá cho việc triển khai an toàn và hiệu quả phương pháp giảm thiểu hài hòa dựa trên SVG trong các hệ thống điện công nghiệp.
.jpg?imageView2/1/format/webp)
Chào mừng đến với yêu cầu