Trong cách hiểu tiêu chuẩn, IEEE 519 (phiên bản 2022) vô tình cho phép một kịch bản mà ở đó việc đạt chuẩn tuân thủ sóng hài có thể thực hiện được một cách đơn giản bằng cách tăng tải lên, mà không cần lọc sóng hài. Hãy đọc bài viết này để hiểu tại sao và làm thế nào để tránh được hiện tượng này trong thực tế.

Giới thiệu

Các đơn vị vận hành lưới điện (Đơn vị vận hành hệ thống truyền tải hoặc Đơn vị vận hành hệ thống phân phối) luôn ưu tiên bảo vệ sự ổn định của hệ thống điện và các khách hàng của họ. Để làm được điều này, họ thiết lập các quy tắc về chất lượng điện năng tại Điểm đấu nối chung (PCC).

• PCC (Point of Common Coupling): Là điểm kết nối về mặt hợp đồng giữa khách hàng sử dụng điện và đơn vị điện lực. Trong các dự án, đây còn được gọi là Điểm đấu nối (Point of Connection).

• Trách nhiệm của Điện lực: Đơn vị điện lực có trách nhiệm cung cấp điện áp chất lượng tốt cho tất cả khách hàng. Thông qua các quy định (thường được gọi là Quy định lưới điện – Grid Code), họ giới hạn mức phát thải sóng hài của từng khách hàng để bảo vệ những người dùng khác trong mạng lưới.

Sóng hài điện áp là hệ quả tất yếu do các dòng điện sóng hài chạy qua trở kháng của mạng lưới gây ra, được thể hiện qua định luật Ohm:Trong đó:

• U_h: Điện áp sóng hài.
• I_h: Dòng điện sóng hài.
• Z_h: Trở kháng mạng lưới (thay đổi theo các bậc sóng hài h)

Dựa trên phương trình, chúng ta có thể thấy rằng đơn vị điện lực có hai lựa chọn để hạn chế sự méo dạng điện áp:

1. Xây dựng hệ thống lưới điện mạnh hơn (sử dụng nhiều đồng hơn và tăng dung lượng truyền tải), điều này giúp làm giảm trở kháng lưới điện Z.
2. Kiểm soát dòng sóng hài trong hệ thống bằng cách quy định mức phát thải sóng hài của khách hàng thông qua việc thực thi các tiêu chuẩn, qui chuẩn.

Trong thực tế, trách nhiệm này được phân chia giữa đơn vị điện lực và khách hàng:

• Đơn vị điện lực: Xây dựng mạng lưới mạnh (trở kháng Z đủ thấp) để có thể chịu tải một lượng sóng hài, công suất phản kháng… ở mức độ nhất định mà không làm mất đi tính ổn định của điện áp và chất lượng điện năng.
• Khách hàng sử dụng điện: Tuân thủ các ngưỡng giới hạn hợp lý về các chỉ số chất lượng điện năng để điện lực có thể bảo vệ những khách hàng khác khỏi các nhiễu phát thải.

Nếu không có sự cân bằng về trách nhiệm giữa hai bên, hệ quả sẽ là:

1. Đơn vị điện lực phải xây dựng mạng lưới mạnh một cách quá mức với chi phí khổng lồ, hoặc

2. Khách hàng không thể vận hành các thiết bị điện thông thường do chất lượng nguồn cung cấp kém, hoặc phải đầu tư quá lớn vào các thiết bị cải thiện chất lượng điện năng.

Tất cả các Quy định kỹ thuật điện lực quốc gia đều dựa trên các tiêu chuẩn chất lượng điện năng quốc tế như EN 50160, G5/5, hoặc IEEE 519. Bài viết này thảo luận sâu về cách tiếp cận của tiêu chuẩn IEEE 519 – tiêu chuẩn vốn được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là ở khu vực Châu Mỹ và Trung Đông.

Cách hiểu tiêu chuẩn IEEE 519 về sóng hài

Tiêu chuẩn IEEE 519 quy định các giới hạn cho sóng hài dòng điện tại các cấp điện áp khác nhau tại điểm đấu nối chung PCC. Điểm mà các giới hạn sóng hài của Quy định lưới điện được đo lường và áp dụng thường là một điểm được xác định theo hợp đồng giữa khách hàng và đơn vị điện lực – đây chính là điểm PCC được các bên quan tâm. Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn này, PCC có thể được lựa chọn tại bất kỳ điểm nào trong mạng điện nội bộ, như được minh họa trong hình bên dưới – nơi các phụ tải khác nhau được ghép nối lại với nhau. Trường hợp điển hình nhất là vị trí phía sau một máy biến áp.

Hình 1: Mạng điện nhà máy ví dụ được đấu nối vào lưới. Điểm đấu nối với đơn vị điện lực nằm ở cấp cao áp, nhưng trong mạng điện nội bộ có nhiều điểm đấu nối chung PCC khác nhau.

Việc hạn chế dòng điện sóng hài được khuyến cáo thực hiện tại vị trí càng “thấp” về phía hạ lưu của hệ thống điện càng tốt. Cụ thể là nên đặt thiết bị lọc càng gần nguồn gây ra sóng hài càng tốt để ngăn chặn nhiễu phát thải lan rộng ra toàn bộ hệ thống điện lớn hơn.

Mặc dù đơn vị điện lực thường chỉ quan tâm và kiểm soát các chỉ số tại điểm đấu nối chung (PCC) theo hợp đồng, nhưng thực tế trong một hệ thống điện nội bộ lớn của nhà máy, dòng sóng hài có thể gây ra sự cố nghiêm trọng ở nhiều cấp độ khác nhau.

Sóng hài điện áp gây ra bởi sóng hài dòng điện tỷ lệ thuận với sức mạnh lưới điện. Hệ thống lưới điện sẽ càng yếu khi chúng ta đi càng sâu về phía tải của hệ thống điện, và do đó, sự méo dạng điện áp sẽ nguy hiểm hơn khi càng gần các phụ tải, dẫn đến nguy cơ gây ra sự cố cao hơn. Điều này có nghĩa là ngay cả khi các chỉ số chất lượng điện năng đã đạt yêu cầu tại điểm kết nối của điện lực. Sóng hài điện áp vẫn có thể gây hại nghiêm trọng bên trong hệ thống nội bộ của nhà máy, như được minh họa trong biểu đồ bên dưới.

Hình 2: Dạng sóng dòng điện sóng hài không thay đổi trên đường đi của dòng điện, nhưng mức méo dạng điện áp phụ thuộc vào độ cứng của lưới điện, tức tổng trở lưới, tại các điểm khác nhau.

Tiêu chuẩn IEEE 519 trong bài viết này chúng tôi tham chiếu theo phiên bản năm 2022  và các quy định đấu nối lưới điện, dựa trên tiêu chuẩn này quy định các giới hạn sóng hài theo tỷ lệ phần trăm và phụ thuộc vào lưới điện.

Các giới hạn đối với từng bậc sóng hài khác nhau và TDD (Total Demand Distortion) được xác định tương ứng với I_L, tức dòng điện phụ tải cực đại.

Các giới hạn sóng hài dòng điện được trình bày trong bảng dưới đây.

Bảng 1: Giới hạn méo dạng dòng điện theo IEEE 519 phiên bản 2022.

• Isc (Short-Circuit Current): Dòng điện ngắn mạch tại điểm PCC. Giá trị này đại diện cho “sức mạnh” của nguồn lưới điện lực cấp vào nhà máy. Máy biến áp nguồn càng lớn, đường dây truyền tải càng ngắn thì Isc lớn ( Lưới rất khỏe )
• IL (Maximum Demand Load Current): Dòng nhu cầu cực đại của nhà máy.

Nếu tỷ số Isc/IL thấp (Lưới điện yếu): Khi tải có dòng sử dụng cao (IL lớn) nhưng nguồn điện cấp từ điện lực lại nhỏ/yếu (Isc nhỏ) (ví dụ như nhà máy ở xa trung tâm, cuối nguồn lưới điện, hoặc dùng trạm biến áp nguồn nhỏ)

Vấn đề với định nghĩa dòng điện cực đại

Thông thường, xét từ một góc nhìn nhất định, sức mạnh của lưới điện là một giá trị gần như cố định. Tại điểm đấu nối với lưới điện của đơn vị điện lực, phía điện lực sẽ đưa ra công bố về mức biến động tối thiểu – tối đa của dòng ngắn mạch (short-circuit level).

Khi đi về phía tải trong hệ thống điện của khách hàng, máy biến áp thường có tổng trở lớn hơn nhiều so với tổng trở của lưới điện phía trước nó. Do đó, trở kháng của máy biến áp này sẽ chiếm phần lớn và quyết định tổng trở kháng tính từ điểm PCC nội bộ, từ đó quyết định luôn giá trị dòng ngắn mạch tại chính tại điểm PCC đó.

Hình 3: Sự thay đổi mức ngắn mạch trong cùng một hệ thống điện.

Dựa trên các nội dung trên, có thể thấy rằng định nghĩa về dòng điện tải cực đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác lập các giới hạn thực tế theo đơn vị Ampere.

Định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 519 qui định rằng dòng điện cực đại nên được xác định bằng giá trị trung bình của dòng điện tần số cơ bản lớn nhất đo được trong vòng 12 tháng trước đó.

Định nghĩa này hợp lý đối với các hệ thống đang vận hành, nếu dòng điện , hoặc công suất nhu cầu cao, xấp xỉ với công suất hợp đồng/công suất đấu nối đã đăng ký. Cách tiếp cận này xuất phát từ nguyên tắc giữa các khách hàng sử dụng điện, tuy nhiên nó không phản ánh đầy đủ tác động vật lý thực tế của dòng điện sóng hài lên lưới điện.

Công suất trong hợp đồng là mức công suất làm cơ sở để đơn vị điện lực thiết kế, xây dựng và duy trì hạ tầng cấp điện tương ứng. Dòng điện tương ứng sẽ được tính toán dựa trên cấp điện áp vận hành. Thông thường, công suất trong hợp đồng hoặc công suất đấu nối theo hợp đồng cũng là cơ sở để xác định việc tính chi phí/hóa đơn điện.

Đối với các khách hàng sử dụng điện có điều kiện phụ tải thay đổi, hoặc các nhà máy có phụ tải biến thiên theo mùa, hoặc có công suất danh định theo hợp đồng cao hơn nhu cầu hiện tại do đã mua/đăng ký dự phòng cho mục đích mở rộng trong tương lai, thì định nghĩa này về dòng điện nhu cầu cực đại sẽ trở nên có vấn đề.

Hãy xem xét tình huống sau:

• Trong ví dụ về hệ thống điện này, công suất trong hợp đồng là 2 MVA.
• Tỷ số Isc/IL được giả định nằm trong khoảng từ 50 đến 10

Bảng 2: Phổ sóng hài của phụ tải được so sánh với các giới hạn sóng hài trong tình huống ban đầu.

Hãy xem nếu chúng ta lắp thêm một dàn điện trở cố định 700 kW song song với phụ tải ban đầu.

Việc này làm tăng dòng điện cơ bản, nhưng không làm thay đổi dòng điện sóng hài. Và tự nhiên, hệ thống lại đáp ứng được các giới hạn cho phép!

Bảng 3: Phổ sóng hài của phụ tải được so sánh với các giới hạn sóng hài sau khi bổ sung thêm phụ tải.

Trong cả hai trường hợp, phụ tải vẫn cùng một giá trị dòng điện sóng hài là 216,46 A, và gây ra cùng một vấn đề như nhau. Điều này dẫn đến một nghịch lý cơ bản: việc đáp ứng giới hạn sóng hài có thể đạt được mà không cần bất kỳ sự suy giảm nào về mức phát thải sóng hài.

Vì vậy, trong thực tế, mặc dù tiêu chuẩn đã có định nghĩa, dòng điện cực đại, hay dòng điện tham chiếu thường là một giá trị được thỏa thuận với đơn vị điện lực tại điểm PCC, hoặc tại các PCC trong mạng điện nội bộ.

Do hạ tầng điện phía  nguồn đã được xây dựng để cấp cho công suất trong hợp đồng giữa hai bên, nên giá trị này cung cấp một điểm tham chiếu phù hợp cho việc đánh giá sóng hài. Đồng thời, hệ thống cũng có thể chịu được các dòng điện sóng hài nằm trong giới hạn cho phép.

Kết luận

Đơn vị điện lực thiết lập các giới hạn phát thải dòng điện sóng hài đối với khách hàng sử dụng điện nhằm bảo vệ lưới điện và các khách hàng khác khỏi hiện tượng méo dạng điện áp. Đồng thời, đơn vị điện lực cũng xây dựng lưới điện được thiết kế để chịu được một mức tải dòng điện sóng hài nhất định.

Nếu các giới hạn dòng điện sóng hài không được dựa trên một giá trị cố định, thì việc áp dụng giới hạn sẽ dễ bị diễn giải khác nhau, hoặc khách hàng sử dụng điện có thể phải chịu các giới hạn dòng điện sóng hài không công bằng và không có cơ sở kỹ thuật đầy đủ.

Vì lý do đó, trong các nghiên cứu sóng hài thực tế và trong các thỏa thuận đấu nối lưới điện, dòng điện tham chiếu thường được xác định dựa trên công suất định mức của máy biến áp hoặc công suất đấu nối/công suất hợp đồng, thay vì dựa trên các phép đo lịch sử.

Nguồn: https://meruspower.com/blog/ieee-519-maximum-demand-current-interpretation-pitfalls-and-practical-approach/