Trong các hệ thống điện công nghiệp có nhiều tải phi tuyến, Bộ lọc sóng hài chủ động AHF (Active Harmonic Filter) được sử dụng để kiểm soát sóng hài và cải thiện chất lượng điện năng. Tuy nhiên, không phải mọi cấu hình lọc chủ động đều được kết nối với hệ thống theo cùng một cách.

Hai khái niệm thường được nhắc đến là AHF mắc song song và AHF mắc nối tiếp. Sự khác biệt giữa chúng không chỉ nằm ở cách đấu nối mà còn liên quan đến loại nhiễu cần xử lý, vị trí lắp đặt, nguyên lý bù và phạm vi ứng dụng.

Đặc biệt, trong thực tế công nghiệp hiện nay, AHF mắc song song là cấu hình phổ biến hơn nhiều đối với mục tiêu xử lý dòng điện sóng hài. Cấu hình mắc nối tiếp thường gắn với các giải pháp lọc chủ động điện áp hoặc bộ lọc lai chuyên dụng.

AHF mắc song song là gì?

AHF mắc song song (Shunt Active Harmonic Filter) được kết nối song song với tải hoặc với thanh cái của hệ thống điện.

Thay vì đưa toàn bộ dòng điện tải đi qua AHF, thiết bị sẽ theo dõi dòng điện trên hệ thống và tạo ra một dòng điện bù có thành phần phù hợp với dòng điện hài cần triệt tiêu.

Có thể hình dung đơn giản:

Nguồn điện → Tủ điện → Tải phi tuyến

AHF được kết nối song song tại điểm phù hợp trên hệ thống để tạo dòng bù ngược với các thành phần sóng hài mà tải phát sinh.

Nhờ đó, dòng điện mà nguồn phải cung cấp có thể trở nên gần với dạng hình sin hơn.

Nguyên lý hoạt động của AHF mắc song song

AHF mắc song song thường sử dụng biến dòng CT để đo dòng điện trong hệ thống. Bộ điều khiển phân tích dòng điện và xác định các thành phần cần bù.

Sau đó, bộ nghịch lưu công suất của AHF tạo ra dòng điện bù tương ứng và đưa dòng điện này vào hệ thống tại điểm đấu nối.

Quá trình cơ bản gồm:

• Đo dòng điện của hệ thống.
• Phân tích thành phần cơ bản và sóng hài.
• Xác định dòng điện cần bù.
• Tạo dòng điện bù bằng bộ nghịch lưu.
• Đưa dòng bù vào hệ thống qua điểm đấu nối song song.
• Giảm thành phần dòng điện sóng hài trong phạm vi được thiết kế.

Đây là lý do AHF song song đặc biệt phù hợp với các nhà máy có nhiều biến tần, UPS, bộ chỉnh lưu, nguồn switching và các tải phi tuyến.

AHF mắc nối tiếp là gì?

AHF mắc nối tiếp (Series Active Filter) được kết nối nối tiếp trên đường cấp điện thay vì đấu song song với tải.

Khác biệt quan trọng là cấu hình nối tiếp thường được sử dụng để tạo điện áp bù nhằm xử lý các vấn đề liên quan đến điện áp, chẳng hạn như điện áp bị méo dạng hoặc một số thành phần điện áp không mong muốn.

Do đó, khi nói đến "AHF mắc nối tiếp", cần hiểu rằng đây không phải là cấu hình phổ biến nhất của AHF dùng để xử lý dòng điện sóng hài của tải. Trong nhiều tài liệu kỹ thuật, cấu hình này có thể được gọi là Series Active Power Filter hoặc thuộc nhóm các giải pháp lọc chủ động nối tiếp.

Nguyên lý hoạt động của bộ lọc chủ động mắc nối tiếp

Thiết bị nối tiếp được đặt trên đường cấp điện và sử dụng bộ biến đổi công suất để tạo ra điện áp bù.

Nếu điện áp nguồn có chứa thành phần méo hoặc các thành phần không mong muốn, bộ lọc có thể tạo điện áp bù nhằm cải thiện dạng sóng điện áp tại phía tải.

Nguyên lý có thể mô tả đơn giản:

Nguồn điện → Bộ lọc nối tiếp → Tải

Bộ lọc được đặt trực tiếp trên đường dẫn điện nên mọi dòng điện của tải đều đi qua phần tử nối tiếp này.

Chính đặc điểm đó khiến yêu cầu về thiết kế công suất, khả năng chịu dòng và độ tin cậy của cấu hình nối tiếp khác đáng kể so với AHF mắc song song.

AHF song song và nối tiếp khác nhau ở điểm nào?

Điểm khác biệt quan trọng nhất nằm ở đại lượng mà thiết bị tác động trực tiếp.

• AHF song song: chủ yếu tạo dòng điện bù để xử lý dòng điện hài.
• Bộ lọc chủ động nối tiếp: tạo điện áp bù để xử lý các vấn đề liên quan đến điện áp.

Vì vậy, không nên xem hai cấu hình này đơn giản là hai cách đấu dây khác nhau của cùng một thiết bị. Chúng phục vụ những mục tiêu kỹ thuật khác nhau.

So sánh AHF mắc song song và mắc nối tiếp

Tiêu chí	AHF mắc song song	Bộ lọc chủ động mắc nối tiếp
Cách kết nối	Đấu song song với hệ thống	Đấu nối tiếp trên đường cấp điện
Đại lượng bù chính	Dòng điện	Điện áp
Ứng dụng phổ biến	Giảm dòng điện sóng hài	Xử lý méo điện áp và các vấn đề điện áp
Ảnh hưởng đến tải	Không cần cho toàn bộ dòng tải đi qua AHF	Toàn bộ dòng tải đi qua phần tử nối tiếp
Ứng dụng tại nhà máy	Rất phổ biến	Chuyên dụng hơn
Khả năng mở rộng	Có thể mở rộng bằng cách phối hợp nhiều AHF	Phụ thuộc cấu trúc và công suất hệ thống

Vì sao AHF mắc song song phổ biến hơn trong nhà máy?

Phần lớn các vấn đề sóng hài trong nhà máy xuất phát từ dòng điện của tải phi tuyến. Các thiết bị như biến tần, UPS và bộ chỉnh lưu tạo ra dòng điện không hoàn toàn hình sin.

AHF mắc song song có khả năng bù trực tiếp các thành phần dòng điện này mà không cần toàn bộ công suất tải đi qua bộ lọc.

Đây là một lợi thế quan trọng về mặt thiết kế.

Ví dụ, một nhà máy có tổng tải vài MW nhưng dòng điện hài cần xử lý chỉ chiếm một phần trong tổng dòng điện. AHF có thể được lựa chọn dựa trên dòng điện hài cần bù thay vì phải có công suất tương đương toàn bộ tải.

Nhờ đó, giải pháp có thể linh hoạt hơn về công suất và chi phí đầu tư.

AHF song song có thể xử lý những vấn đề nào?

AHF song song thường được sử dụng để xử lý nhiều vấn đề liên quan đến dòng điện trong hệ thống.

• Giảm tổng độ méo dòng điện THDi.
• Bù các thành phần sóng hài được lựa chọn.
• Hỗ trợ cải thiện dạng sóng dòng điện.
• Giảm dòng điện hài truyền về phía nguồn trong cấu hình phù hợp.
• Giảm ảnh hưởng của dòng hài đến hệ thống phân phối.
• Có thể hỗ trợ bù công suất phản kháng tùy theo chức năng của AHF.
• Có thể hỗ trợ cân bằng dòng điện trong một số thiết bị có chức năng tương ứng.

Bộ lọc nối tiếp phù hợp với trường hợp nào?

Cấu hình lọc chủ động nối tiếp phù hợp hơn khi vấn đề chính nằm ở chất lượng điện áp thay vì chỉ tập trung vào dòng điện hài.

Một số ứng dụng có thể liên quan đến:

• Méo dạng điện áp.
• Điện áp chứa thành phần hài đáng kể.
• Cần tạo điện áp bù cho phía tải.
• Các hệ thống yêu cầu chất lượng điện áp cao.
• Một số ứng dụng công nghiệp chuyên dụng.

Tuy nhiên, việc lựa chọn thiết bị cần dựa trên khảo sát thực tế và thiết kế của hệ thống điện, không nên chỉ dựa trên tên gọi "AHF nối tiếp".

AHF song song có làm giảm sóng hài điện áp không?

AHF song song chủ yếu xử lý dòng điện hài, nhưng việc giảm dòng hài có thể góp phần làm giảm độ méo điện áp trong một số hệ thống.

Nguyên nhân là dòng điện hài chạy qua trở kháng của hệ thống có thể tạo ra các thành phần điện áp hài.

Có thể hình dung:

Dòng điện hài → Trở kháng hệ thống → Điện áp hài

Khi dòng điện hài được giảm, thành phần điện áp hài phát sinh do dòng điện đó cũng có thể giảm.

Tuy nhiên, nếu nguồn điện đã có sẵn điện áp méo cao từ phía lưới, chỉ sử dụng AHF song song tại tải có thể không giải quyết toàn bộ vấn đề. Khi đó cần phân tích nguyên nhân và xem xét giải pháp xử lý điện áp phù hợp.

AHF mắc nối tiếp có xử lý dòng điện hài không?

Cấu hình nối tiếp có thể tham gia vào các hệ thống xử lý sóng hài phức tạp, nhưng không nên đồng nhất bộ lọc chủ động nối tiếp với AHF song song chuyên xử lý dòng hài.

Trong các ứng dụng cần xử lý đồng thời cả dòng điện và điện áp, có thể sử dụng các cấu hình kết hợp hoặc bộ lọc chủ động lai được thiết kế riêng cho mục tiêu đó.

Việc lựa chọn phải dựa trên loại nhiễu cần xử lý, vị trí phát sinh và yêu cầu chất lượng điện năng của hệ thống.

AHF song song có ưu điểm gì khi lắp trong nhà máy?

• Lắp đặt linh hoạt: có thể bố trí tại tủ điện chính, tủ phân phối hoặc gần nhóm tải.
• Không phải mang toàn bộ dòng tải: AHF chủ yếu xử lý dòng bù cần thiết.
• Dễ mở rộng: có thể sử dụng nhiều module hoặc nhiều AHF khi nhu cầu tăng.
• Phù hợp với tải biến động: AHF có thể điều chỉnh dòng bù theo điều kiện tải trong phạm vi thiết kế.
• Phù hợp với nhiều tải phi tuyến: đặc biệt là biến tần, UPS và bộ chỉnh lưu.

Nhược điểm cần lưu ý của AHF song song

AHF song song cũng không phải giải pháp phù hợp trong mọi trường hợp.

• Cần khảo sát chính xác dòng điện hài trước khi lựa chọn công suất.
• Vị trí CT phải được thiết kế chính xác.
• Cần đảm bảo AHF có đủ công suất bù tại điều kiện tải thực tế.
• Không nên kỳ vọng AHF xử lý được mọi vấn đề về điện áp.
• Hiệu quả phụ thuộc vào cấu trúc mạng điện và vị trí lắp đặt.

Nhược điểm của cấu hình lọc chủ động nối tiếp

Do được đặt trực tiếp trên đường cấp điện, bộ lọc chủ động nối tiếp có yêu cầu thiết kế khắt khe hơn về khả năng chịu dòng và độ tin cậy.

Một số vấn đề cần cân nhắc gồm:

• Toàn bộ dòng tải phải đi qua phần tử nối tiếp.
• Thiết kế phải đảm bảo khả năng chịu dòng liên tục.
• Cần xem xét tổn hao và nhiệt sinh ra trong phần tử công suất.
• Việc bảo trì có thể ảnh hưởng trực tiếp đến đường cấp điện nếu không có phương án bypass phù hợp.
• Chi phí và cấu trúc hệ thống có thể phức tạp hơn.

Có thể kết hợp AHF song song và lọc chủ động nối tiếp không?

Có thể trong những hệ thống có yêu cầu xử lý đồng thời nhiều vấn đề về chất lượng điện năng.

Ví dụ, một hệ thống có thể cần:

• AHF song song để xử lý dòng điện sóng hài do tải phi tuyến tạo ra.
• Bộ lọc chủ động nối tiếp để xử lý các vấn đề về điện áp tại tải nhạy cảm.

Cấu hình kết hợp có thể mang lại phạm vi xử lý rộng hơn, nhưng đồng thời cũng làm hệ thống phức tạp hơn. Do đó, chỉ nên sử dụng khi kết quả khảo sát cho thấy thực sự cần thiết.

AHF song song có phù hợp với hệ thống biến tần không?

Đây là một trong những ứng dụng phổ biến của AHF song song.

Biến tần sử dụng các mạch điện tử công suất có thể tạo ra dòng điện hài trong quá trình hoạt động. Nếu số lượng biến tần lớn, tổng dòng hài có thể trở thành vấn đề đáng quan tâm đối với hệ thống phân phối.

AHF có thể được bố trí:

• Gần một biến tần công suất lớn.
• Tại tủ cấp điện cho một nhóm biến tần.
• Tại tủ phân phối của khu vực sản xuất.
• Tại tủ điện tổng để xử lý dòng hài tổng hợp.

Vị trí phù hợp cần được xác định dựa trên kết quả đo và sơ đồ hệ thống.

AHF song song có phù hợp với UPS không?

UPS và các hệ thống nguồn điện tử công suất cũng có thể tạo ra dòng điện hài tùy theo thiết kế.

Trong trường hợp một trung tâm dữ liệu hoặc nhà máy có nhiều UPS, AHF song song có thể được cân nhắc để kiểm soát dòng điện hài tại tủ phân phối hoặc điểm nguồn phù hợp.

Tuy nhiên, cần kiểm tra thông số kỹ thuật của UPS và đặc điểm hệ thống trước khi triển khai để tránh ảnh hưởng đến chế độ vận hành của thiết bị.

Nên chọn AHF song song hay giải pháp nối tiếp?

Việc lựa chọn nên bắt đầu từ câu hỏi: vấn đề chính của hệ thống là dòng điện hay điện áp?

Nếu nhà máy gặp vấn đề chủ yếu về dòng điện sóng hài, AHF mắc song song thường là lựa chọn phù hợp hơn.

Nếu vấn đề chính nằm ở điện áp bị méo hoặc cần bù điện áp, có thể cần xem xét bộ lọc chủ động nối tiếp hoặc các giải pháp điều hòa điện áp khác.

Nếu hệ thống có đồng thời nhiều vấn đề, giải pháp kết hợp có thể được cân nhắc sau khi khảo sát.

Các bước xác định cấu hình AHF phù hợp

Bước 1: Xác định nguồn gây nhiễu

Kiểm tra biến tần, UPS, bộ chỉnh lưu, máy hàn và các thiết bị điện tử công suất trong hệ thống.

Bước 2: Đo dòng điện và điện áp

Đo THDi, THDv, dòng điện RMS, điện áp, công suất và phổ các bậc sóng hài tại những điểm quan trọng.

Bước 3: Xác định mục tiêu xử lý

Doanh nghiệp cần xác định muốn giảm dòng điện hài, giảm điện áp hài hay cải thiện đồng thời nhiều thông số chất lượng điện năng.

Bước 4: Xác định vị trí lắp đặt

Đối với AHF song song, cần lựa chọn vị trí phù hợp với phạm vi tải cần xử lý và bố trí CT chính xác.

Bước 5: Tính công suất thiết bị

Công suất AHF cần được tính dựa trên dòng điện hài thực tế và mục tiêu xử lý thay vì chỉ dựa vào tổng công suất nhà máy.

Bước 6: Đánh giá hiệu quả sau lắp đặt

Đo lại các thông số chất lượng điện năng để xác nhận hiệu quả của giải pháp và điều chỉnh cấu hình nếu cần.

Kết luận

AHF mắc song song và bộ lọc chủ động mắc nối tiếp khác nhau chủ yếu ở đại lượng mà chúng tác động và mục tiêu xử lý. AHF song song tạo dòng điện bù để xử lý dòng điện sóng hài và hiện đang là cấu hình phổ biến trong các hệ thống điện công nghiệp có nhiều tải phi tuyến.

Trong khi đó, bộ lọc chủ động nối tiếp tạo điện áp bù và phù hợp hơn với các ứng dụng cần xử lý vấn đề liên quan đến điện áp. Cấu hình này mang tính chuyên dụng hơn và không nên được xem đơn giản là "AHF đấu ngược lại" so với loại song song.

Đối với phần lớn nhà máy đang gặp vấn đề THDi cao do biến tần, UPS, bộ chỉnh lưu hoặc các tải phi tuyến, AHF mắc song song thường là hướng cần được khảo sát trước. Tuy nhiên, vị trí lắp đặt, công suất AHF và cấu hình CT vẫn phải được xác định dựa trên kết quả đo thực tế.

Việc phân biệt đúng lọc dòng điện và lọc điện áp ngay từ bước khảo sát sẽ giúp doanh nghiệp lựa chọn đúng công nghệ, tránh đầu tư thiết bị không phù hợp và tối ưu hiệu quả xử lý chất lượng điện năng trong nhà máy.