Nghiên cứu thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động dựa theo số liệu đo lường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------

NGUYỄN ĐỨC TRUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG
DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - Năm 2016



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------

NGUYỄN ĐỨC TRUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG
DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN XUÂN TÙNG

Hà Nội, năm 2016



LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử
dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các
trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả

Nguyễn Đức Trung


1


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Xuân Tùng,
giảng viên Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội,
ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài này.
Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo
Sau đại học, Viện Điện, thƣ viện Tạ Quang Bửu cùng các giảng viên Trƣờng Đại
học Bách khoa Hà Nội đã hƣớng dẫn tơi tận tình trong suốt q trình học tập tại
trƣờng.
Để có đƣợc ngày hơm nay tơi khơng thể khơng nhắc đến những ngƣời thân
trong gia đình đã tạo một hậu phƣơng vững chắc giúp tơi n tâm hồn thành cơng

việc và nghiên cứu của mình.
Cuối cùng tơi xin gửi tới toàn thể bạn bè và đồng nghiệp lời biết ơn chân thành
về những tình cảm tốt đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi ngƣời đã dành cho tôi
trong suốt thời gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài này.
Tác giả

Nguyễn Đức Trung


2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................7
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................8
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG
HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .............................................................................12
1.1. Phân loại chất lƣợng điện năng .......................................................................12
1.2. Khái niệm về sóng hài .................................................................................... 14
1.3. Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện ..........................................15
1.4. Các tiêu chuẩn khuyến cáo về mức độ sóng hài trong hệ thống điện ............. 16
1.5. Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện ......................................... 18
1.5.1. Các máy biến áp .......................................................................................19
1.5.2. Các động cơ ..............................................................................................19
1.5.3. Các thiết bị điện tử công suất ...................................................................20
1.5.4. Các thiết bị hồ quang ................................................................................20

1.6. Ảnh hƣởng của sóng hài tới hệ thống và các thiết bị .....................................21
1.6.1. Hiện tƣởng cộng hƣởng tại tần số sóng hài ..............................................21
1.6.2. Ảnh hƣởng tới các động cơ và máy biến áp ............................................. 24
1.6.3. Ảnh hƣởng tới hệ số công suất ................................................................. 24
1.6.4. Ảnh hƣởng tới các bộ tụ bù ...................................................................... 25
1.6.5. Ảnh hƣởng tới thiết bị bảo vệ ...................................................................25
1.6.6. Ảnh hƣởng tới thiết bị đo đếm ................................................................. 25
CHƢƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN .........................................................................................................................27
2.1. Tổng quan về các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện .................27
2.2. Các bộ lọc sóng hài thụ động .......................................................................... 28


3


2.2.1. Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp ...................................................................28
2.2.2. Bộ lọc thụ động kiểu song song ...............................................................29
2.3. Các bộ lọc sóng hài tích cực ...........................................................................29
2.3.1. Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu song song ............................................29
2.3.2. Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu nối tiếp ................................................30
2.4. Các bộ lọc hỗn hợp (kiểu lai ghép) ................................................................. 31
2.5. So sánh giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động ..........................................31
2.6. Các loại bộ lọc thụ động phổ biến .................................................................. 32
2.7. Hƣớng nghiên cứu của luận văn ..................................................................... 36
CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC CỘNG HƢỞNG ĐƠN DỰA
THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG THỰC TẾ ................................................................ 37
3.1. Qui trình chung để thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động [7] ............................... 37
3.2. Các tham số cần lựa chọn trƣớc đối với bộ lọc cộng hƣởng ..........................40
3.2.1. Lựa chọn hệ số chất lƣợng Q cho bộ lọc. .................................................40

3.2.2. Lựa chọn tần số cộng hƣởng cho bộ lọc ................................................... 41
3.3. Các phƣơng trình sử dụng trong tính tốn thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng
hƣởng đơn .............................................................................................................. 43
CHƢƠNG 4 KIỂM NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC CỦA BỘ LỌC CỘNG HƢỞNG
ĐƠN ..........................................................................................................................47
4.1 Mô tả hệ thống ................................................................................................. 47
4.2. Mô phỏng sơ đồ lƣới điện tính tốn bằng phần mềm PSCAD .......................54
4.2.1. Giới thiệu sơ lƣợc về phần mềm PSCAD ................................................54
4.2.2. Mô phỏng sơ đồ lƣới điện bằng phần mềm PSCAD ................................ 55
4.3. Tính tốn thơng số của bộ lọc ......................................................................... 58
4.3.1. Tính tốn thiết kế bộ lọc sóng hài bậc 5 ...................................................59
4.3.2. Tính toán bổ sung thêm bộ lọc hài bậc 7 .................................................. 66
4.3.3.Kiểm tra sự làm việc của bộ lọc đã thiết kế trong trƣờng hợp vận
hành100% tải: .....................................................................................................68
4.3.4. Tính tốn lắp đặt bổ sung bộ tụ bù: ..........................................................71


4


CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................75
5.1. Kết luận ........................................................................................................... 75
5.2. Hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................77


5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CSPK

: Công suất phản kháng

CSTD

: Công suất tác dụng

CLĐN

: Chất lƣợng điện năng

HTĐ

: Hệ thống điện

MBA

: Máy biến áp

THDV

: Tổng độ méo sóng hài điện áp

THDi

: Tổng độ méo sóng hài dịng điện


6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân loại các hiện tƣợng liên quan đến chất lƣợng điện áp theo tiêu chuẩn
IEEE 1159 - 1995 ......................................................................................................12
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn về độ méo điện áp theo Thông tƣ 12 và 32 ...........................17
Bảng 1.3: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống phân phối ..........................17
Bảng 1.4: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện ...................18
Bảng 1.5: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện (<161kV), có
nguồn phát phân tán ..................................................................................................18
Bảng 1.6: Phổ tần của sóng hài phát sinh bởi lị hồ quang ....................................... 20
Bảng 2.1: Phổ tần của dòng điện khi sử dụng chỉnh lƣu 6 và 12 xung ..................... 27
Bảng 4.1: Tổng hợp số liệu đo lƣờng ........................................................................ 52
Bảng 4.2: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 (Chế độ 80% tải).....64
Bảng 4.3: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ 80%
tải)..............................................................................................................................68
Bảng 4.4: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ
100% tải). ..................................................................................................................70
Bảng 4.5: Bảng tổng hợp kết quả sau khi lắp đặt bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (Chế độ
100% tải). ..................................................................................................................72


7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng. ............................................15
Hình 1.2: Sóng bị méo dạng và phân tích Furier tƣơng ứng ..................................... 15
Hình 2.1: Mạch chỉnh lƣu có sử dụng cuộn kháng điều hịa ....................................27
Hình 2.2: Bộ lọc thụ động nối tiếp ............................................................................28

Hình 2.3: Bộ lọc thụ động song song ........................................................................29
Hình 2.4: Bộ lọc tích cực bù ngang........................................................................... 30
Hình 2.5: Bộ lọc tích cực bù dọc............................................................................... 30
Hình 2.6: Bộ lọc hỗn hợp thơng dụng .......................................................................31
Hình 2.7: Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến. ......................................32
Hình 2.8: Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hƣởng đơn ........................33
Hình 2.9: Đặc tính tổng trở của các loại bộ lọc thụ động phổ biến .......................... 36
Hình 3.1: Cấu hình hệ thống có thiết bị lọc sóng hài thụ động .................................37
Hình 3.2: Lƣợc đồ thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động ................................................39
Hình 3.3: Bộ lọc cộng hƣởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số ..........................40
Hình 3.5: Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến .............................. 42
Hình 3.6: Các tần số cộng hƣởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống ..... 42
Hình 4.1: Ảnh chụp tồn cảnh bộ mơ phỏng hệ thống điện...................................... 47
Hình 4.2: Tải phi tuyến trên bộ mơ phỏng hệ thống điện. ........................................48
Hình 4.3: Sơ đồ lƣới điện và tải phi tuyến trên bộ mơ phỏng ...................................48
Hình 4.4: Sơ đồ một sợi của lƣới điện. ..................................................................... 49
Hình 4.5: Vị trí điểm đo độ méo dịng điện (vị trí TP19) .........................................50
Hình 4.6: Thiết bị đo chất lƣợng điện năng Fluke 435 .............................................50
Hình 4.7: Sơ đồ tồn cảnh đấu nối thiết bị đo và lƣới điện cần khảo sát ..................52
Hình 4.8: Dạng sóng dịng điện................................................................................. 53
Hình 4.9: Dạng sóng điện áp (điện áp dây) ...............................................................53
Hình 4.10: Giao diện chính của phần mềm PSCAD. ................................................54
Hình 4.11: Sơ đồ một sợi lƣới điện tính tốn. ...........................................................55


8


Hình 4.12: Sơ đồ mơ phỏng lƣới điện tính tốn bằng phần mềm PSCAD ...............56
Hình 4.13: Độ lớn dịng ngắn mạch 3 pha tại TP17 .................................................... 56

Hình 4.14: Chu trình tính tốn và kiểm tra bộ lọc. ...................................................59
Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng với bộ lọc bậc 5(Chế độ 80% tải) ................................ 62
Hình 4.16: Sơ đồ mơ phỏng với bộ lọc bậc 5 và bậc 7 (chế độ 80% tải) .................67
Hình 4.17: Sơ đồ mơ phỏng với bộ lọc hài bậc 5, bậc 7 và bộ tụ (chế độ 100% tải).
...................................................................................................................................71


9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Một trong những vấn đề về chất lƣợng điện năng phổ biến trong hệ thống điện
là sóng hài và sụt áp ngắn hạn. Sóng hài đƣợc sinh ra và lan truyền trong hệ thống
do việc sử dụng các tải phi tuyến, các thiết bị điện tử cơng suất; các thiết bị hồ
quang và phóng điện (lị hồ quang điện, đèn phóng điện); các thiết bị điện tử cơng
suất (các bộ nghịch lƣu, biến tần).
Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây nhiều vấn đề đối với các thiết bị có lõi
từ nhƣ gây phát nóng quá mức, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá tải
dây trung tính, ảnh hƣởng tới các bộ điều khiển thiết bị. Giải pháp loại trừ sóng hài
trong hệ thống điện có thể chia ra ba nhánh chính: Sử dụng bộ lọc thụ động, sử
dụng bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép giữa hai dạng này. Bộ lọc tích cực và bộ lọc
lai ghép có khả năng loại trừ hầu hết các sóng hài phát sinh, tuy nhiên giá thành các
thiết bị này cịn đắt và kèm theo chi phí bảo dƣỡng cao.
Luận văn đi sâu phân tích về việc sử dụng thiết bị lọc sóng hài thụ động (gồm
các thành phần R, L, C) để loại trừ các sóng hài trong lƣới điện phân phối. Trong
luận văn này sẽ tính tốn thiết kế các bộ lọc dựa trên các số liệu đo lƣờng thực tế.
2. Lịch sử nghiên cứu
Các bộ lọc song hài thụ động đã đƣợc nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới, tuy
nhiên tại Việt Nam, các cơng trình cơng bố chƣa cho thấy có các nghiên cứu nào thể

hiện qui trình và các bƣớc tính tốn cần thiết cho các loại bộ lọc thụ động với điều
kiện dựa trên số liệu đo lƣờng thu thập đƣợc từ các thiết bị đo.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu về chất lƣợng điện năng trong lƣới
phân phối, tuy nhiên tập trung vào ảnh hƣởng của sóng hài tới các thiết bị và vận
hành của lƣới điện và các giải pháp. Phần nội dung chính của luận văn sẽ mơ tả chi
tiết phƣơng thức tính tốn thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động kiểu cộng hƣởng đơn
dựa trên số liệu đo lƣờng thu thập đƣợc. Phần áp dụng đƣợc thực hiện với các số


10


liệu đo trực tiếp từ bộ mô phỏng hệ thống điện và tính tốn kiểm nghiệm đƣợc thực
hiện trên mơ phỏng PSCAD với thơng số của mơ hình thuộc bộ mơ phỏng hệ thống
điện.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản
Nội dung chính của luận văn bao gồm các mục sau: Phân loại các hiện tƣợng
về chất lƣợng điện năng; Các nguồn phát sinh sóng hài và các ảnh hƣởng của sóng
hài; Các phƣơng pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện (tập trung phân tích về
bộ lọc thụ động); Phƣơng pháp tính tốn lựa chọn bộ lọc theo số liệu đo thực tế;
Kiểm nghiệm bằng mô phỏng sự làm việc của các bộ lọc đã tính tốn.
Để thực hiện các nội dung này thì luận văn đƣợc chia làm 5 chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1:

Giới thiệu chung về chất lƣợng điện năng và sóng hài trong
hệ thống điện;

Chƣơng 2:

Các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện;

Chƣơng 3:

Tính tốn thiết kế bộ lọc cộng hƣởng đơn dựa theo số liệu đo
lƣờng thực tế;

Chƣơng 4:

Kiểm nghiệm sự làm việc của bộ lọc cộng hƣởng đơn;

Chƣơng 5:

Kết luận và kiến nghị.

5. Các đóng góp mới của tác giả
Nội dung nghiên cứu của luận văn đã có đóng góp trong việc tính tốn bộ lọc
dựa trên số liệu đo lƣờng thực tế và có xét đến ràng buộc về mức tải và mức độ méo
sóng hài trong các trạng thái vận hành khác nhau.