Phần 1 : Sóng hài trong hệ thống điện: tác hại và giải pháp

Sóng hài trong Hệ thống thống điện được tạo ra như thế nào? Tác hại do sóng hài gây ra cho các thiết bị điện, các dây chuyền sản xuất mức độ như thế nào? Giải pháp nào làm giảm thiểu thiệt hại do sóng hài gây ra?
ThS. BÙI VĂN TRÌNH
Trưởng nhóm chuyên gia 
về chất lượng nguồn điện
I.TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI
Sóng hài trong Hệ thống điện được tạo ra như thế nào? Tác hại do sóng hài gây ra cho các thiết bị điện, các dây chuyền sản xuất mức độ như thế nào? Giải pháp nào làm giảm thiểu thiệt hại do sóng hài gây ra? 
Những câu hỏi đó luôn là động cơ, thôi thúc các chuyên gia nghiên cứu trong lĩnh vực Kỹ thuật điện. tìm ra lời giải cho chủ đề mang tính thời sự nêu trên.  
Bài viết sau đây nhằm cung cấp cho người đọc những kiến thức cần thiết góp phần tìm lời giải cho một vấn đề mang tính thời sự nêu trên. 
Đối với các hoạt động sản xuất và đặc biệt là trong thời kỳ Công nghiệp 4.0 hiện nay, sóng hài là một trong những vấn đề gây nhức nhối vì nó có thể gây ra hư hỏng các thiết bị điện công nghệ cao và làm gián đoạn quy trình sản xuất. 
Việc phát triển nóng các dự án năng lượng tái tạo hòa lưới cũng như sự tăng trưởng ồ ạt của các thiết bị bán dẫn đã và đang làm ảnh hưởng của sóng hài lên hệ thống điện ngày càng nghiêm trọng. Tuy nhiên việc tìm hiểu và lắp đặt các thiết bị giám sát, lọc sóng hài đang bị xem nhẹ tại các nhà máy công nghiệp. Lý do có thể vì chính phủ chưa thật sự có chế tài sử phạt đối với khách hàng phát sóng hài lớn lên lưới truyền tải, hay chủ đầu tư tin tưởng vào công nghệ hiện đại của mình có thể hạn chế sóng hài,…Thật không may, nguồn sóng hài có thể không hình thành từ chính nhà máy đang xét, mà có thể đến từ các nhà máy lân cận, hoặc do hiện tượng tự nhiên (giông sét, ngắn mạch trên lưới điện, …) và hậu quả là thiệt hại kinh tế cho nhà máy do dừng dây chuyền sản xuất còn cao hơn nhiều so với mức đầu tư cho thiết bị giám sát và lọc sóng hài. 
Bên cạnh đó, Việt Nam đang là điểm đến đầy tiềm năng cho các nhà đầu tư nước ngoài, vì vậy sẽ có nhiều nhà máy sử dụng công nghệ tiên tiến của Châu Âu hay Bắc Mĩ được xây dựng. Những công nghệ này yêu cầu chất lượng cung cấp điện là tuyệt đối. Nếu không “ tự bảo vệ mình” trước sóng hài hay các vấn đề tương tự thì các nhà máy rất khó đạt được năng suất cao và giảm tính cạnh tranh trên thị trường. 
Từ những nhận định trên, việc tìm hiểu về sóng Hài là vô cùng quan trọng để người vận hành có thể xử lý sự cố. Trên tất cả, nghiên cứu giải pháp hạn chế sóng hài là thật sự cần thiết để chủ đầu tư có thể bảo vệ tài sản của mình, cũng như đảm bảo các quy định của nhà nước.
 
II.SÓNG HÀI ĐƯỢC TẠO RA NHƯ THẾ NÀO ?
Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư điện đã cố gắng thử nghiệm nhiều phương pháp khác nhau để thiết kế một hệ thống phân phối năng lượng đến các hộ gia đình và các khu công nghiệp một cách hiệu quả. Tuy nhiên, sự ra đời của các thiết bị điện tử đã làm thay đổi tất cả. Trước khi bùng nổ sử dụng các thiết bị bán dẫn, hầu hết khu dân cư và tải công nghiệp đều dùng các thiết bị có tính chất đơn giản, và, tất nhiên, là dễ dự đoán. Nhưng với các thiết bị điện tử hiện đại được kết nối vào hệ thống điện ngày nay lại có tính chất phức tạp và khó dự đoán hơn, bởi vì đó là những tải không tuyến tính (non-linear load).
Thuật ngữ tuyến tính nhấn mạnh ở việc dòng điện chạy trong tải có dạng sóng đồng dạng với dạng sóng của điện áp đầu vào (hình Sin). Các thiết bị sưởi ấm, động cơ, tụ điện, bóng đèn sợi đốt,… là những ví dụ về tải tuyến tính (Hình 1.a). Có thể suy luận ngược lại, các tải không tuyến tính hình thành dòng điện có dạng sóng không tuân theo dạng sóng tự nhiên của điện áp nguồn (Hình 1.b). Dòng điện tải phi tuyến này được tạo ra vì hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại đều yêu cầu dòng điện một chiều (DC) để hoạt động. Điện áp được cung cấp từ các nhà máy điện cho phụ tải ở dạng xoay chiều (AC), nên các thiết bị điện tử phải sử dụng các kỹ thuật để chuyển đổi điện áp này sang một chiều (DC). Các kỹ thuật chuyển đổi này được gọi là converter.
hinh 1 harmonic magazin

Bộ converter một pha được sử dụng nhiều nhất ngày nay là bộ nguồn chuyển mạch (switch-mode power supply). Các thiết bị này được ứng dụng chủ yếu để cấp nguồn cho máy tính cá nhân, máy in,… Một số đèn huỳnh quang (fluorescent lighting) cũng sử dụng thiết bị trên để hoạt động.
Phổ biến nhất trong ứng dụng bộ converter ba pha là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ (variable speed motor drive), đôi khi còn được gọi là bộ điều tốc (adjustable speed drive). Bộ điều tốc nhận nguồn AC đầu vào, chỉnh lưu sang nguồn một chiều DC, và sau đó nghịch lưu trở lại nguồn xoay chiều. Khi chuyển đổi DC ngược lại sang AC, tín hiệu điện áp hoặc tần số của nguồn AC bị thay đổi để điều khiển tốc độ động cơ. Ứng dụng của bộ chuyển đổi này là để kiểm soát tốc độ, ví dụ như, quạt và máy bơm ở những khu công nghiệp lớn.
Lưu ý rằng việc tạo ra dòng tải phi tuyến không phụ thuộc vào tính chất tự nhiên một pha hay ba pha của thiết bị. Sự thật là chúng ta đang chuyển đổi AC sang DC và điều đó hình thành nên dòng điện không tuyến tính. Phân tích chi tiết về hoạt động của bộ converter sẽ không được đề cập trong nội dung bài báo này; tuy nhiên hiểu biết cơ bản về nguyên tắc hoạt động của chuyển đổi AC sang DC để tạo ra sóng hài dòng điện là cần thiết.
Và đây là cách nó hoạt động. Điện áp nguồn được cung cấp bởi hệ thống điện phân phối trước hết được chỉnh lưu và lưu trữ trong tụ điện, một bộ phận tích hợp trong bộ converter. Trong nửa đầu chu kỳ điện, những bộ tụ lớn được tích điện đến giá trị trung bình của điện áp nguồn, sau đó phóng điện để hình thành dòng một pha DC có điện áp giới hạn tùy theo thiết kế của bộ converter. Khi điện áp trong tụ chạm đến ngưỡng giới hạn xả điện, nó bắt đầu nạp điện trở lại – thời điểm này diễn ra ở nữa chu kỳ điện tiếp theo. Thiết bị lại tạo ra dòng một pha. Và cứ như vậy, tụ điện nạp và xả điện. Bây giờ bộ converter đang ở chu kỳ tiếp theo và đơn giản là lặp lại tiến trình trên.
Để dòng điện AC sau khi được tạo thành trong bộ converter đi qua tải và trả ngược về lưới thì điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu phải cao hơn điện áp của tụ. Do đó dòng điện từ nguồn cấp phải có dạng xung và không liên tục trong suốt chu kỳ của điện áp. Quá trình này được thể hiện trong Hình 2.
 
hinh 2 harmonic magazin
Như ta có thể thấy, dòng điện của những tải phi tuyến không cùng dạng sóng với điện áp đầu vào. Tuy nhiên, dòng điện và điện áp đều giống nhau ở một khía cạnh – tần số. Thật sự, dòng điện xung tạo ra do tải không tuyến tính là điều hòa và có tần số cơ bản, f0 , có độ lớn bằng với điện áp. Chúng ta đã gặp may khi những dòng điện phi tuyến này là điều hòa, bởi vì nhờ đó mà chúng ta có thể áp dụng lý thuyết Fourier để phân tích dạng sóng xung này thành tổng của vô hạn các sóng hình Sin có tần số khác nhau.
Mỗi thành phần trong chuỗi vô hạn này được gọi là sóng hài – harmonic. Mỗi thành phần sóng hài có một tần số duy nhất với giá trị là tích của một số nguyên với tần số cơ bản. Giá trị số nguyên này đặc trưng cho bậc sóng hài, giả sử như sóng hài bậc 1 có tần số f1 = 1x50 = 50Hz, bậc hai có tần số f2 = 2x50 = 100Hz…
screen shot 2020 02 27 at 17 32 54
 
hinh 3 harmonic magazin
screen shot 2020 02 27 at 17 35 01
 
image027 harmonic magazin

Với những hiểu biết cơ bản về cách tải không tuyến tính tạo ra sóng hài dòng điện, chúng ta đã sẵn sàng thảo luận về những vấn đề thật sự. Nếu suy nghĩ rằng bản thân dòng điện hài là vấn đề duy nhất cần giải quyết, có lẽ hệ thống của chúng ta đã không quá bị “tổn thương”. Tuy nhiên, với bản chất là dòng dịch chuyển các điện tích, dòng điện hài sẽ tương tác với điện khánh của hệ thống và gây ra sụp áp.
Nhớ lại rằng điện kháng bao gồm hai thành phần: điện trở (không phụ thuộc vào tần số) và trở kháng (phụ thuộc tần số). Khi dòng điện hài chạy trong hệ thống, giá trị của trở kháng thay đổi phụ thuộc vào tần số của sóng hài. Sự tương tác của dòng điện hài và trở kháng biến thiên (theo định luật Ohm) gây ra biến thiên sụp áp. Do đó ta có sóng hài điện áp và làm méo dạng sóng điện áp trên thanh cái hệ thống.
Bây giờ ta xét lại góc pha từ phương trình (1) mà ta đã bỏ qua trước đó. Góc pha ở đây được hiểu là cùng pha (in-phase) hoặc lệch pha (out-of-phase). Nếu góc pha sóng hài càng gần góc pha thành phần cơ bản, thì chúng sẽ càng cùng pha với nhau và ngược lại. Điều này rất quan trọng vì cùng pha nghĩa là cộng vào với nhau và làm tăng độ lớn của tín hiệu tổng. Ngược pha sẽ triệt tiêu lẫn nhau, và làm giảm tín hiệu tổng. Tất nhiên, bằng cách nào đi nữa (cùng pha hay ngược pha), sóng hài điện áp và dòng điện đều làm méo dạng tín hiệu gốc. 
Hình 3 thể hiện hình ảnh của tín hiệu cơ bản và hai thành phần hài – bậc 3,bậc 5 và bậc 7, cũng như kết quả sự tương tác của các tín hiệu này. Nếu so sánh tín hiệu cơ bản và kết quả tương tác, ta thấy độ lớn của tín hiệu nhiễu cao hơn nhiều so vơi tin hiệu ở tần số chuẩn. Điều đó chứng tỏ sóng hài và tín hiệu chuẩn cùng pha với nhau trong ví dụ trên.
Nhớ rằng Hình 3 chỉ thể hiện hai tín hiệu sóng hài. Trong thực tế, có rất nhiều sóng hài thành phần chứa trong tín hiệu chuẩn. Tất cả các thành phần này sẽ cộng dồn và mức độ méo dạng sóng hình Sin ở tần số cơ bản.
 
III.TÁC HẠI CỦA SÓNG HÀI ĐỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ 
Tác hại của sóng hài rất rõ ràng và dễ hình dung. Có hài vấn đề chính mà chúng ta sẽ xem xét, đó là sự nóng lên bất thường của thiết bị và gián đoạn hoạt động sản xuất (Hình 4)
  1. Với dây dẫn điện Phát nóng bất thường là tác động phổ biến của sóng hài lên dân dẫn. Nhiệt luôn được tạo ra bởi dòng điện chạy trong dây dẫn theo công thức tính tổn thất nhiệt là . Sóng hài càng nhiều càng gây trầm trọng vấn đề, bởi vì ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt (skin effect). Hiệu ứng bề mặt tỉ lệ thuận với tần số, do đó bậc sóng hài càng tăng thì hiệu ứng này càng nghiêm trọng. Dòng điện lớn sẽ xuất hiện trên bề mặt của dây dẫn và làm tăng tổn thất, giá trị càng lớn thì tổn thất càng nhiều.
  2. Với máy biến áp: Cùng với việc phát nóng do hiệu ứng bề mặt, máy biến áp còn phải chịu thêm tổn thất từ dòng điện xoáy phu cô (eddy current). Dòng điện xoáy được tạo ra bởi từ trường xoay chiều khép vòng bên trong lõi từ của máy biến áp. Tổn thất do dòng điện xoáy tỉ lệ thuận với bình phương tần số. Do đó, tổn thất sẽ rất lớn với chỉ hai hay ba thành phần hài. Từ đó làm giảm tuổi thọ và thời gian làm việc của máy biến áp.
  3. Với tụ điện: Một lý do vì sao sóng hài ảnh hưởng lớn lên tụ điện là do điện kháng của tụ giảm khi tần số tăng. Do đó, sóng hài có bậc càng cao, thì tụ điện sẽ hoạt động như một điểm ngắn mạch. Điều này được hiểu đơn giản là tụ điện sẽ hút sóng hài tần số cao vào mình. Kết quả là tụ điện trở nên quá tải do dòng điện lớn đi qua. Một vấn đề khác giữa tụ điện và sóng hài là khả năng sinh ra cộng hưởng. Hiện tượng này xảy ra khi cảm kháng và dung kháng của hệ thống có độ lớn bằng nhau và triệt tiêu lẫn nhau. Khi cộng hưởng xảy ra, nó làm giảm điện kháng của hệ thống. Do đó, dòng điện không bị cản trở và bị khuếch đại có thể phá hủy tụ điện và các thiết bị khác trong hệ thống.
  4. Với thiết bị điện tử: Các thiết bị điện tử rất nhạy cảm với méo dạng sóng hài, bởi vì chúng phụ thuộc vào dạng sóng điện áp chuẩn để đưa ra các tín hiệu điều khiển. Thiết bị điện tử công xuất sử dụng điểm zero (thời điểm sóng điện áp đi qua mức 0) để điều khiển đóng mở van các thiết bị bán dẫn. Nếu thời điểm zero bị dịch chuyển, thì bộ điều khiển sẽ hoạt động sai. Hơn nữa, nhiều thiết bị đóng ngắt bán dẫn hoạt động tại điểm zero để giảm tác động của từ trường và dòng khởi động (inrush current). Một lần nữa, lệch điểm zero lại gây ra hoạt động sai lệch cho thiết bị.
Các bộ nguồn chuyển mạch (electronic power supply) phụ thuộc vào giá trị đỉnh của điện áp đầu vào để giữ cho tụ điện luôn được nạp đầy. Nếu điện áp nguồn tăng hay giảm do ảnh hưởng của sóng hài, thì bộ chuyển mạch sẽ hoạt động ở chế độ quá áp hoặc thấp áp. Hiện tượng này cũng được xem là sai lệch hoạt động cho thiết bị.
 
hinh 4 harmonic magazin

TÀI LIỆU THAM KHẢO
  1. G.T. Heydt, Electric Power Quality, 2nd ed. West LaFayette, IN: Stars in a Circle Publications, 1994.
  2. IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants, IEEE Standard 141-1993. New York: The IEEE Red Book, 1994.
  3. R.C. Dugan, M.F. McGranaghan, and H.W. Beaty, Electrical Power Systems Quality. New York: McGrawHill, 1996.
  4. J.C. Whitaker, AC Power Systems Handbook, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 1999.
  5. G.N.C. Ferguson, “Power Quality Improvement in a Harmonic Environment,” from a paper presented at the Inter National Electrical Testing Association (NETA) Annual Technical Conference, Mar. 19, 1997.
  6. IEEE Task Force, “Effects of Harmonics on Equipment,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 8, pp. 672-680, 1993.
  7. C. Sankaran, “Effects of Harmonics on Power Systems—Part 1,” EC&M, pp. 33-42, Oct. 1995
 
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây