Các phương pháp hạn chế sóng hài

Cùng với sự gia tăng của sóng hài trong hệ thống điện và các ảnh hưởng của nó, các công ty điện lực và khách hàng cũng tìm kiếm các phương pháp để hạn chế sóng hài. Về cơ bản, có 4 phương pháp được sử dụng để hạn chế sóng hài  được tạo bởi các điện trở phi tuyến trong hệ thống điện, đó là: 

- Thay đổi cấu hình của lưới điện

- Sử dụng các thiết bị hiện đại ít sóng hài

- Sử dụng các thiết bị đặc biệt có tác dụng hạn chế sóng hài

- Sử dụng các bộ lọc

1. Thay đổi cấu hình của lưới điện

Một phương pháp thuận lợi để giảm ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống là thay đổi cấu hình lưới.  Để thực hiện điều này cần xác định phụ tải nào sinh ra sóng hài, loại và biên độ của các sóng hài đươc sinh ra trong hệ thống. Với các phụ tải sinh hoạt, việc phân phối lại tải sử dụng cùng một cuộn dây hoặc thông qua một mạch điện bổ sung có thể là một biện pháp kinh tế để giảm méo dạng dòng điện và điện áp.

Phân bố lại các tải phi tuyến lớn nhất ở các xuất tuyến khác nhau, giống như cân bằng các tải một pha trong hệ thống điện 3 pha cũng có hiệu quả. Biện pháp này sẽ hạn chế lượng sóng hài trên một đường dây.

Phân phối hỗn hợp các tải tuyến tính và phi tuyến trên một xuất tuyến có thể giảm méo dạng hài bởi vì các tải tuyến tính hoạt động như các bộ suy giảm tự nhiên của mạch cộng hưởng song song. Biện pháp này không áp dụng được với các tải tuyến tính chứa các thiết bị điện tử hay các thiết bị công nghiệp nhạy cảm có thể bị ngừng hoạt động nếu THD tăng.

Việc gia tăng công suất ngắn mạch ở đầu nguồn bằng cách tăng kích cỡ máy biến áp, hoặc thêm máy phát phân phối cũng có tác dụng đối với việc hạn chế ảnh hưởng của sóng hài. Nguyên nhân dẫn đến điều này là do điện kháng tới nguồn càng nhỏ thì điện áp giáng càng nhỏ, không chỉ với tần số cơ bản mà còn với các sóng hài có tần số cao.

Tuy nhiên, việc thay thế cấu hình lưới điện đòi hỏi phải đầu tư rất lớn và chỉ mang lại những hiệu quả hạn chế nên phương pháp này không mang lại nhiều lợi ích. Nó chỉ giúp phân bố lại sóng hài chứ không làm giảm lượng sóng hài tổng trên hệ thống.

2. Sử dụng các thiết bị hiện đại ít sóng hài

Các bộ biến đổi như converter một pha chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị loại nhỏ. Khi dòng điện cần cung cấp không lớn, việc sử dụng các bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ có thể tiết kiệm chi phí nhưng có thể sinh ra sản phẩm phụ là dòng điện một chiều gây bão hòa máy biến áp. Ngược lại, chỉnh lưu cả chu kỳ có giá thành cao hơn nhưng không gây bão hòa máy biến áp.

Với các thiết bị ba pha, cấu hình cơ bản nhất của bộ chuyển đổi converter 3 pha là một số lượng N bộ chỉnh lưu cầu 3 pha 6 cực mắc song song. Lượng sóng hài do các thiết bị chỉnh lưu gây ra được tính theo công thức sau:

Trong đó: I1 và Ih là giá trị hiệu dụng của sóng hài cơ bản và  bậc h

               h là bậc của sóng hài

               n là số tự nhiên

               p là số cực điều khiển của thiết bị (p=6xN)

               N là số bộ chỉnh lưu cầu 6 cực.

Có thể thấy, với bộ chỉnh lưu 6 cực, các sóng hài lớn nhất là bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25. Sóng hài bậc càng thấp thì biên độ càng lớn.

Trên lý thuyết, bộ chỉnh lưu 12 cực sẽ chỉ có sóng hài bậc 11, 13, 23, 25. Như vậy việc sử dụng bộ chỉnh lưu 12 cực điều khiển sẽ giúp triệt tiêu được các sóng hài bậc 5, 7 là những sóng hài có biên độ lớn nhất.

Bộ chỉnh lưu 12 cực

Cũng tương tự như vậy, có thể thấy việc thay thế các thiế bị chỉnh lưu ít cực bằng các thiết bị nhiều cực có thể hạn chế sóng hài. Ví dụ như một thiết bị chỉnh lưu 24 cực được tạo thành từ 4 bộ chỉnh lưu cầu 6 cực sẽ chỉ có sóng hài bậc 23, 25 mà không có sóng hài bậc 5,7, 11, 13, 17, 19 là những sóng hài có biên độ lớn nhất. Tuy nhiên, để thực hiện việc kết nối 4 bộ chỉnh lưu cầu 6 cực là không dễ dàng. Để có thể triệt tiêu sóng hài, mỗi bộ chỉnh lưu cần được dịch pha 15 độ, được cấp nguồn bằng một máy biến áp dịch pha với các cuộn riêng biệt được nối dây zigzag hoặc ngũ giác như hình sau:

Bộ chỉnh lưu 24 cực

Nếu một bộ chỉnh lưu 6 cực gặp vấn đề, sóng hài trên một trong ba bộ chỉnh lưu còn lại sẽ không được triệt tiêu.

Ngoài ra còn có các điệu kiện làm việc và thiết kế để triệu tiêu sóng hài trên thiết bị tạo thành từ N bộ chỉnh lưu cầu 6 cực:

- Các biến áp có cùng tỷ số và điện kháng giống nhau

- Phụ tải phải được chia đều cho các bộ chỉnh lưu

- Góc mở của các bộ chỉnh lưu giống nhau

- Góc pha lệch pha giữa các máy biến áp là 60/N

Phương pháp sử dụng các thiết bị hiện đại sẽ giảm lượng sóng hài đáng kể. Tuy nhiên cũng giống như phương án thay đổi cấu hình lưới điện, phương án này đòi hỏi chi phí rất lớn và thiết bị có độ phức tạp rất cao.

3 Sử dụng các thiết bị đặc biệt có tác dụng hạn chế sóng hài

Sử dụng kháng điện mắc nối tiếp

Trong hệ thống điện xoay chiều, điện kháng mắc nối tiếp đã được sử dụng như một cách hiệu quả để hạn chế dòng điện ngắn mạch.  Kháng nối tiếp được sử dụng trong các nhà máy thép, trong các trạm biến áp hoặc trung tính nối đất của các máy phát. Tuy nhiên, kháng nối tiếp, ngoài tác dụng hạn chế dòng ngắn mạch, còn có thể sử dụng như bộ hạn chế sóng hài trong công nghiệp ở mức độ nhất định. Thường thì, kháng điện 5% được đặt ở phía nguồn của các bộ chuyển đổi converter có nhiều tác dụng.

Do kháng điện là thiết bị lưu trữ năng lượng chống lại sự biên thiên dòng điện, kháng điện nối tiếp trên lý thuyết hạn chế dòng sóng hài từ cả hai phía. Điều này có nghĩa là làm giảm dòng hài từ bộ chỉnh lưu (hoặc bất cứ tải phi tuyến nào khác) tới nguồn, hoặc hạn chế dòng hài trong mạng điện phân phối tới bộ chỉnh lưu. Kháng điện nối tiếp còn có tác dụng giảm dòng quá độ hoặc siêu quá độ xuất hiện khi đóng cắt tụ điện hoặc đường dây dài hoặc nhiễu loạn tạo bởi sự cố trên đường dây. Tuy nhiên, kháng điện nối tiếp sẽ làm giảm điện áp đặt trên phụ tải làm cho hiệu suất của thiết bị giảm. Ngoài ra, kháng nối tiếp có rất ít hiệu quả khi hệ số THDI < 30%.

Máy biến áp đấu zig zag

Máy biến áp đấu zig zag được sử dụng mắc song song với máy biến áp lực để tạo trung tính ảo trong lưới điện trung áp. Tuy nhiên, máy biến áp này còn có tác dụng triệt tiêu sóng hài thứ tự không (bội của bậc 3) vì có phần đấu nối dạng tam giác. Do chỉ lọc được sóng hài là bội số của bậc 3 và có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, máy biến áp này hiện chưa được sử dụng rộng rãi để triệt tiêu sóng hài.

 Máy biến áp đấu zig zag 

4. Sử dụng các bộ lọc

Các bộ lọc sóng hài có thể chia làm hai loại: các bộ lọc tích cực (active filter) và bộ lọc thụ động (passive filter).

Thiết bị lọc thụ động (passive filter)

Thiết bị lọc thụ động cấu tạo bởi các phần tử bị động như cuộn kháng và tụ điện được mắc nối tiếp hoặc song song. Mỗi phần tử lọc được thiết kế với một tần số cộng hưởng nhất định sau đó được mắc song song với các phụ tải phi tuyến. Nguyên tắc làm việc của thiết bị này dựa trên định luật Ohm.

Do mắc song song với các thiết bị khác trong hệ thống, tại một sóng hài nhất định (đặc trưng bởi tần số cộng hưởng) tổng trở của thiết bị lọc vô cùng nhỏ so với tổng trở của hệ thống điện. Lúc đó, dòng điện sóng hài gây ra sẽ chạy một phần lớn qua thiết bị lọc, phần nhỏ còn lại sẽ chạy vào trong hệ thống điện. Có thể thấy, thiết bị lọc thụ động tự lọc sóng hài (thụ động), tỷ lệ sóng hài được lọc chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ giữa tổng trở của hệ thống điện và tổng trở của thiết bị lọc tại một sóng hài nhất định. Do chỉ có một tần số cộng hưởng thiết bị này chỉ lọc hiệu quả một sóng hài duy nhất mà ít hiệu quả so với sóng hài khác.

Thiết bị này có nhiều ưu điểm như: tổn thất công suất tác dụng rất nhỏ, đơn giản dễ lắp đặt, rất hiệu quả nếu gặp những trường hợp cộng hưởng (do làm thay đổi cấu hình lưới điện, dẫn đến tần số cộng hưởng cũng thay đổi theo), giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện (hiện chiếm khoảng 60% thị trường). Nhược điểm chính của thiết bị là mỗi bộ lọc chỉ lọc được một sóng hài duy nhất, trong một số trường hợp khi trong phổ sóng hài có nhiều loại hài với tần số khác nhau, ta cần phải đặt rất nhiều bộ lọc chiếm nhiều diện tích và làm tăng giá thành.

Thiết bị lọc tích cực (active filter)

Loại thiết bị thứ hai là lọc tích cực. Thiết bị này làm việc trên nguyên tắc sử dụng một bộ đo và phân tích sóng hài rồi phát lại các sóng hài cùng biên độ, ngược góc pha với sóng hài đo được để triệt tiêu các sóng hài này. Do đó, nó yêu cầu một bộ đo lường và điều khiển với độ chính xác rất cao.

Nhược điểm chính của thiết bị này là yêu cầu về độ chính xác của phần đo lường, thuật toán điều khiển có tốc độ rất cao, phức tạp (nếu không sẽ phát thêm sóng hài vào hệ thống điện) dẫn tới giá thành của thiết bị cao. Do sử dụng thiết bị phát sóng nên tổn thất công suất tác dụng rất lớn (3 -10%), ngoài ra còn có một nhược điểm nữa là trong những trường hợp bị cộng hưởng thì bộ lọc chủ động không thể xử lý được. Tuy nhiên ưu điểm chính của thiết bị này là có thể triệt tiêu khá triệt để sóng hài phổ rộng nên với những trường hợp phổ sóng hài phức tạp, người ta hay dùng thiết bị tích cực.

Thiết bị lọc kiểu lai (hybrid filter)

Do cả 2 bộ lọc thụ động và tích cực đều có những ưu, nhược điểm nên cùng song song tồn tại. Để hạn chế những nhược điểm của từng phương pháp này thì xuất hiện thêm một loại mới là thiết bị lọc kiểu lai (hybrid filter).

Bộ lọc kiểu lai thực chất là sự kết hợp của các bộ lọc tích cực và thụ động. Trong đó những sóng hài có biên độ lớn nhất sẽ được các thiết bị lọc thụ động hấp thụ còn thiết bị chủ động sẽ xử lý những sóng hài còn lại.

Bộ lọc kiểu lai thực chất còn phức tạp hơn cả bộ lọc tích cực, nhưng lại hạn chế được lượng tiêu thụ điện.

Thị trường thiết bị lọc sóng hài

Các thiết bị lọc là phương án đơn giản và phổ biến nhất để hạn chế sóng hài trên thế giới. Trên thực tế, do các thiết bị phi tuyến ngày càng phát triển mạnh (hiện tại đã lên tới trên 90%) và còn tiếp tục tăng nên thị trường. Mức tăng trưởng thị trường thiết bị lọc tại Mỹ là khoảng 7%/năm. Dù là 3 loại bộ lọc với công nghệ khác biệt và phát triển song song, nhưng do có rất nhiều ưu điểm nên thiết bị lọc thụ động đang chiếm khoảng 60% thị phần, thiết bị tích cực chiếm khoảng 25-30%, còn thiết bị lọc kiểu lai chiếm khoảng 10-15%.

Thị trường bộ lọc sóng hài của Mỹ