Bộ lọc sóng hài tích cực

   Bộ lọc sóng hài tích cực (APF / STATCOM) là thiết bị lọc hài hòa điện tử hoạt động mới để giảm hài hòa điện áp và hài hòa dòng điện, cải thiện hệ số công suất và cải thiện chất lượng điện năng

I) Bản chất của sóng hài 

  Tần số làm việc ổn định của các thiết bị điện do nhà máy cung cấp là 50 Hz, trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng, các thành phần sóng bậc cao được sinh ra và hòa vào lưới điện do các phần tử phụ tải phi tuyến như lò hồ quang, máy hàn,…
Chúng sản sinh ra các sóng hài bậc cao khác nhau và trả lại lưới điện thông qua dây dẫn và kết hợp với tần số cơ bản làm méo mó biến dạng sóng của hệ thống phân phối năng lượng chung.

II) Tác hại của sóng hài bậc cao

• Đối với động cơ, sóng hài gây tổn hao trên cuộn day và lõi thép động cơ gây méo dạng momen, làm rung lắc động cơ, giảm hiệu suất, phát nóng, gây tiếng ồn. Trường hợp nguy hại hơn, sóng hài còn sinh ra momen xoắn trục động cơ, gây dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng hộp số.
• Đối với máy bến áp, sóng hài sẽ gây tổn hao công suất dưới dạng nhiệt năng, năng hơn sẽ gây cháy nổ biến áp ( trong khi U/I nhỏ hơn định mức) 
• Làm sai lệch kết quả đo đạc trong thiết bị đo
• Các thiết bị sử dụng điện như đèn chiếu sáng bị chập chờn
• Gây sóng điện từ làn truyền trong không gian ảnh hưởng đến các thiết bị thu phát sóng khác
• Với dây trung tính hệ thống ba pha bốn dây, sóng hài làm cho hệ thống mất cân bằng, xuất hiện dòng điện lớn chạy qua dây trung tính, ảnh hưởng đến sự an toàn con người và hệ thống điện

III) Nhiệm vụ của bộ lọc sóng hài tích cực

•  Bù công suất:

  Bù công suất phản kháng, cùng với chức năng lọc thì các cấu hình thiết kế có thể chỉ giới hạn ở mức độ công suất nhỏ. Nhiều thiết bị bù tuy có đáp ứng chậm hơn nhưng giá thành rẻ.

•  Bù sóng hài điện áp:

  Bộ lọc 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 vị giới hạn cơ bản đối với các sự cố tăng 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

•  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.

IV) Cấu tạo của bộ lọc sóng hài tích cực

Bộ lọc sóng hài tích cực gồm 5 bộ phận chính như sau 

1.    Cầu chì:   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.

V) Thông số kỹ thuật của bộ lọc sóng hài tích cực

 Bộ lọc sóng hài tích cực sản xuất theo từng module, phù hợp với từng từng tải tử nhỏ đến lớn, và có khả năng mở rộng trong tương lai khi phụ tải tăng cao.

STT	Đặc tính	Thông số
1	Pha hệ thống	3-pha 3 dây/ 3 pha 4 dây
2	Điện áp định mức	3-dây: 380 VAC ± 15%  –  480 VAC ± 10% 4-dây: 380 VAC ± 15%  –  415 VAC ± 10%
3	Cấu trúc liên kết chuyển đổi	Cấp 3 NPC topology, IGBT
4	Tần số chuyển đổi	16 kHz
5	Thời gian đáp ứng	21 μs
6	Khả năng lọc sóng	Đến bậc 50
7	Tổng méo dạng sóng hài dòng điện sau khi lắp đặt  THID	< 5%
8	Điều chỉnh hệ số công suất	Cosϕ = -0,7 … 1 … 0,7 (bao gồm tụ điện)
9	Kích thước mỗi module	(w x d x h) 440 mm x 420 mm x 220 mm
10	Kích thước tủ	(w x d x h) 600 mm x 805 mm x 2095 mm
11	Dòng pha định mức	60A – 360A – 540A – 720A – 960A
12	Dòng trung tính định mức	180A – 120A – 180A – 240A – 300A
13	Khả năng quá tải (Amp trong 10 ms)	150A – 300A – 450A – 600A – 750A
14	Vị trí lắp biến dòng	Main side or load side
15	Tỉ số biến dòng	xx:5 A or xx:1 A
16	Lắp đặt	Treo, lắp trong tủ
17	Khối lượng	49 kg
18	Chế độ làm mát	Không khí/nước
19	Giao tiếp	Ethernet TCP/IP, Modbus RTU RS 485
20	Digital I/O	3 DI
21	Nhiệt độ môi trường	0 – 45C° tải đầy liên tục, >45C° non tải
22	Cấp IP bảo vệ	IP 20/ IP 21 cho moduleIP 23/ IP 54 cho tủ
23	Độ ồn	< 56 – 63 dB
24	Khả năng tự bảo vệ	Có
25	Overheat protection	Có
26	Over voltage and under voltage protection	Có
27	Điều kiện môi trường	Độ ô nhiễm: 2 Độ ẩm < 95% không ngưng tụ, 3 K3 Nhiệt độ: lưu kho 55C°, 1 K3, 1 K4 Vận chuyển: -25C° đến 75C°, 2 K3
28	Tổ chức chấp thuận	CE, RoHS, UL
29	Tiêu chuẩn thiết kế	EC 61000-4-2, 4-4, 4-5, 4-6 EN 61000-3-11, 3-12 EN 61000-6-2 EN 55011 EN 62277-1 EN 61800-3