thiết kế lọc tích cực để khắc phục ảnh hưởng của sóng hài do các phụ tải công nghiệp gây ra trong lưới điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LÊ KIM DUNG



Thiết kế lọc tích cực để khắc phục ảnh
hưởng của sóng hài do các phụ tải công
nghiệp gây ra trong lưới điện











2014
i



LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những vấn đề đƣợc trình bày trong bản luận văn này là

những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của
các tác giả trong và ngoài nƣớc đã đƣợc xuất bản.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của ngƣời khác.


Tác giả





Lê Kim Dung





ii


LỜI CẢM ƠN

nghiệp Thái Nguyên. Có đƣợc bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết
ơn chân thành và sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên,
Khoa Điện, Khoa đào tạo sau đại học . Ngô Đức Minh, đã
trực tiếp hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tôi với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong
suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài:
“Thiết kế bộ lọc tích cực để khắc phục ảnh hưởng của sóng hài do các phụ tải
công nghiệp gây ra trong lưới điện”.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học đã trực tiếp

giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành cho bản thân tôi trong
nhƣng năm tháng qua.
Tuy nhiên, do có sự hạn chế về thời gian và kiến thức nên Luận văn không
tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các
Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn các thầy (cô) giáo đã hết lòng quan
tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thành Luận văn.
Trân trọng cám ơn./.

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 5 năm 2014
Học viên



Lê Kim Dung
iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit) 15
Bảng 1.2. Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current
Distortion Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV) 16
Bảng 1.3. IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc) 16
Bảng 4.1. Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn 61
Bảng 4.2 đƣa ra kết quả tính giá trị ứng với các thành phần điều hòa xoay chiều bậc
cao: 66
Bảng 4.2. Biến thiên dòng điện với các thành phần sóng hài 66
Bảng 4.3. Giá trị các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn 75
iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AF : Active – filter
THĐ : Total – Hamonic Distortion
CSPK : Công suất phản kháng
CSTD : Công suất tác dụng
PWM : Pulse width modulation
VSC : Nghịch lƣu nguồn áp
FFT : Fast Fourier Trans Form
DFT :Discrete Fourier Transform

v


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU iii
MỤC LỤC v
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÕA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG 3
1.1. Tổng quan về sóng hài 3
1.1.1. Giới thiệu chung 3
1.1.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện 7
1.2. Tổng quan về công suất phản kháng 16
1.2.1. Giới thiệu chung 16

1.3. Kết luận chƣơng 1 18
Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 19
2.1. Khái niệm lọc sóng hài 19
2.2. Các phƣơng pháp lọc sóng hài 19
2.2.1. Bộ lọc thụ động 19
2.2.2. Bộ lọc chủ động 21
2.3. Kết luận. 26
Chƣơng 3: LỌC TÍCH CỰC VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG
MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP 27
3.1. Mô hình hệ thống 27
3.2. Tải phi tuyến 28
3.3. Lọc tích cực AF 31
3.4. Các phƣơng pháp điều khiển lọc AF 35
3.4.1. Cấu trúc hệ điều khiển 35
3.4.2. Các phƣơng pháp điều khiển bộ lọc tích cực 36
3.5. Kết luận 48
vi


Chƣơng 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO TẢI PHI TUYẾN CÓ
DẠNG BỂ MẠ ĐIỆN PHÂN 49
4.1. Phân tích ảnh hƣởng đến lƣới điện của tải dạng bể mạ 49
4.1.1. Giới thiệu chung 49
4.1.2. Phân tích ảnh hƣởng đến lƣới của phụ tải bể mạ. 52
4.1.3. Kết quả mô phỏng 58
4.2. Xây dựng cấu trúc mạch lọc cho nguồn bể mạ 63
4.2.1. Xác định giá trị điện áp một chiều của nghịch lƣu 64
4.2.2. Xác định giá trị tụ điện C 64
4.2.3. Xác định giá trị điện cảm L 65
4.2.4. Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển 67

4.2.5. Khâu tạo xung cho bộ nghịch lƣu 68
4.3. Khảo sát hoạt động của mạch lọc với nguồn bể mạ 71
4.4. Kết luận. 79
KẾT LUẬN 80










vii


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng 3
Hình 1.2. Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3 4
Hình 1.3. Phân tích Fn thành an và bn 6
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lƣu cầu một pha 9
Hình 1.6. Dòng điện lƣới gây bởi bộ chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển 9
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển 10
Hình 1.9. Dòng điện lƣới gây bởi bộ chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển 10
Hình 1.10. Phổ dòng điện chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển 10
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển 11
Hình 1.12. Dòng điện phía lƣới và phân tích phổ khi = 300 11
Hình 1.13. Dòng điện phía lƣới và phân tích phổ khi = 500 12

Hình 1.14. Dòng điện phía lƣới và phân tích phổ khi = 700 13
Hình 1.15. Dòng điện phía lƣới và phân tích phổ khi = 900 13
Hình 1.16. Quan hệ giƣa các thành phần công suất trên đồ thị vectơ 16
Hình 2.1. Bộ lọc RC 20
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lƣới kiểu song song 22
Hình 2.3 Mô tả nguyên lý hoạt động của AF song song 23
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lƣới kiểu nối tiếp 24
Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của AFs 24
Hình 2.6 Bộ lọc kiểu lai 25
Hình 2.7 Bộ lọc UPQC 25
Hình 3.1. Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến 27
Hình 3.3 Cấu trúc mô phỏng tải chỉnh lƣu cầu 3 pha 28
Hình 3.4 Trị hiệu dụng điện áp lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 15độ 29
Hình 3.5 Trị hiệu dụng dòng điện lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 15độ 29
Hình 3.5 Phân tích sóng hài dòng điện lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 15độ 30
Hình 3.7 Trị hiệu dụng dòng điện lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 50độ 30
Hình 3.7 Phân tích sóng hài dòng điện lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 50độ 31
Hình 3.8 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực 32
Hình 3.9. Sơ đồ mạch lực chỉnh lƣu PWM 33
Hình 3.10. Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lƣu PWM 33
viii


Hình 3.11. Giản đồ vectơ chỉnh lƣu PWM 34
Hình 3.11. Giản đồ vectơ chỉnh lƣu PWM 34
Hình 3.12. Cấu trúc điêu khiển vòng hở chỉnh lƣu PWM với chức năng mạch lọc tích
cực 35
Hình 3.13. Cấu trúc điêu khiển vòng kín chỉnh lƣu PWM với chức năng mạch lọc tích
cực 36
Hình 3.14. Phƣơng pháp FFT 38

Hình 3.15. Thuật toán xác định dòng bù trong khung tọa độ dq 39
Hình 3.16. Thuật toán lựa chọn các sóng hài cần bù trong hệ dq 40
Hình 3.17. Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời 43
Hình 3.18. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM làm bộ lọc tích cực 44
Hình 3.19. Sơ đồ mô tả phƣơng pháp điều khiển kiểu bang-bang 45
Hình 3.20. Điều khiển phát xung cho pha A bộ lọc tích cực 46
Hình 3.21. Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện pha A 47
Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống bể mạ 50
Hình 4.2. Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng 50
Hình 4.3. Giải pháp bù sát cục bộ phụ tải 51
Hình 4.4. Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ 52
Hình 4.5. Mô hình hệ thống điêu khiển bể mạ 53
Hình 4.6. Nguồn xoay chiều 3 pha 53
Hình 4.7. Mô hình mạch lực của tải phi tuyến 54
Hình 4.8. Mô hình khâu điều áp xoay chiều 3 pha 54
Hình 4.9. Mô hình tải bể mạ 55
Hình 4.10. Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ 55
Hình 4.11. Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải 56
Hình 4.12. Khối tính toán công suất 57
Hình 4.13. Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha 57
Khâu đo áp: 57
Hình 4.14. Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha 57
Hình 4.15. Mô hình khối hiển thi tham số 58
Hình 4.16. Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải 58
Hình 4.17. Dòng điện phía nguồn cấp cho tải 59
Hình 4.18. Dòng điện nguồn pha A 59
Hình 4.19. Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=8 (V) 60
ix

Hình 4.20. Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=16 (V) 60
Hình 4.21. Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=22 (V) 60
Hình 4.22. Thành phần điều hòa bậc 5 của dòng điện nguồn pha A 62
Hình 4.23. Thành phần điều hòa bậc 7 của dòng điện nguồn pha A 62
Hình 4.24. Hệ số công suất khi chƣa có mạch lọc 63
Hình 4.25. Dòng điện và điện áp nguồn pha A 63
Hình 4.26. Sơ đồ nguyên lý mạch lực có sử dụng bù 64
Hình 4.27. Mô hình khối tính toán dòng bù chuẩn 68
Hình 4.29. Khối chuyển dòng trong hệ abc sang . 69
Hình 4.30. Khối tính toán công suất p, q 69
Hình 4.31. Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ 69
Hình 4.32. Khối tính toán công suất bù cung cáp bởi mạch lọc 70
Hình 4.33. Khối tính toán dòng bù trong hệ 70
Hình 4.34. Khối tính toán dòng bù trong hệ abc 70
Hình 4.35. Khối phát xung cho bộ nghịch lƣu 71
Hình 4.36. Mô hình mô phỏng AF cho tải bể mạ 72
Hình 4.37. Điện áp nguồn 72
Hình 4.38. Dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động 73
Hình 4.39. Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 73
Hình 4.40. Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=8 (V) khi mạch lọc tác động 74
Hình 4.41. Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=16 (V) khi mạch lọc tác động 74
Hình 4.42. Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=22 (V) khi mạch lọc tác động 74
Hình 4.43. Thành phần sóng hài bậc 5 trƣớc và sau khi mạch lọc tác động 76
Hình 4.44. Thành phần sóng hài bậc 7 trƣớc và sau khi mạch lọc tác động 76
Hình 4.45. Công suất nguồn trƣớc và sau khi mạch lọc tác động 77
Hình 4.46. Công suất mạch lọc trƣớc và sau khi tác động 77
Hình 4.48. Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 78
Hình 4.49. Phân tích FFT Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 78
Hình 4.50. Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 78

1


LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam đang trong thời kỳ thực hiện cách mạng về hiện đại hóa và
công nghiệp hóa theo xu hƣớng hội nhập quốc tế, quy mô các ngành công
nghiệp ngày càng đƣợc mở rộng và đa dạng hóa về máy móc, thiết bị sản
xuất. Các nhà máy, xí nghiệp, liên doanh công nghiệp đã trở thành những
khách hàng chính (gọi là phụ tải công nghiệp) tiêu thụ phần lớn lƣợng điện
năng trong hệ thống điện. Các hoạt động sản xuất của phụ tải công nghiệp đòi
hỏi chất lƣợng điện năng cung cấp cao và đạt các chuẩn quốc tế. Đặc biệt,
trong đó một chỉ tiêu quan trọng là tiêu chuẩn về sóng hài – Đƣợc đề cập lần
đầu tiên tại Việt Nam năm 2010 [1] Trƣớc đó, các tài liệu giảng dạy ở Việt
nam chƣa đề cập tiêu chuẩn sóng hài trong các chỉ tiêu đánh giá điện năng. Có
rất nhiều nguyên nhân phát sinh sóng hài trong hệ thống điện, trong khi đó
sóng hài trên lƣới điện phân phối lại phần lớn do các thiết bị sản xuất công
nghiệp gây nên. Trong số đó phải kể đến các loại lò điện, các bể mạ điện, bể
mạ…Mục tiêu đề ra nhằm đạt đƣợc hiệu quả cao nhất là lọc bỏ sóng hài ngay
tại nơi phát sinh, để thực hiện điều này lại có nhiều giải pháp và phƣơng thức
thực hiện khác nhau [2-12]: Dùng các bộ lọc thụ động kiểu LC có ƣu điểm là
đơn giản rễ lắp đạt và vận hành nhƣng kết quả không hoàn hảo: tần số lọc
đƣợc là cố định phụ thuộc vào thông số thiết bị đã thiết kế lắp đặt, tổn hao
mất mát năng lƣợng nội bộ lớn. Thông thƣờng các bộ lọc LC đƣợc thiết kế
cho lọc các hài bậc thấp 3, 5, 7 để lại trên lƣới các các hài bậc cao mà trong
nhiều trƣờng hợp các hài bậc cao trên 7 lại chiếm tỷ lệ đáng kể và tác hại của
hài bậc cao đó cũng ảnh hƣởng rất lớn đến hoạt động của hệ thống điện gây ra
nhiều tác hại nghiêm trọng nhƣ gây sai số cho các thiết bị đo đếm trong các

hệ thống bảo vệ, đo lƣờng tự động hóa Giải pháp khác đƣợc đề xuất đó là sử
dụng bộ lọc tích cực. Bộ lọc tích cực (AF), thực chất là một máy phát bù sóng
2


hài (thiết bị bù) có cấu trúc cơ bản nhƣ một nghịch lƣu PWM (đôi khi cũng
gọi là chỉnh lƣu tích cực) [3]. Đối với các sóng hài bậc cao AF thực hiện bù
không, nghĩa là phổ của các sóng hài có trên lƣới và phổ của sóng hài do AF
phát vào lƣới có phép cộng bằng không. Theo nguyên tắc này AF có thể đƣợc
thiết kế lọc cho một số hài cố định hoặc có thể lọc cho cả phổ sóng hài rất
rộng và từ đây hình thành rất nhiều ý tƣởng khoa học cho mỗi hƣớng nghiên
cứu về AF. Một cách hiểu thứ hai về chức năng bù của AF là bù thiếu, bù
thiếu đƣợc áp dụng cho việc bù công suất phản kháng thành phần sóng hài cơ
bản. Nghĩa là AF sẽ thực hiện chức năng phát công suất phản kháng vào lƣới
nhằm mục đích nâng cao điện áp tại điểm kết nối. Tất nhiên, AF cũng có thể
hấp thụ công suất phản kháng để tránh quá áp khi cần thiết nhƣng việc phân
tích vấn đề này sẽ vƣợt quá phạm vi nghiên cứu của đề tài. Trong khuôn khổ
luận văn sẽ nghiên cứu bộ lọc tích cực với hai chức năng đó là lọc sóng hài
bậc cao và bù công suất phản kháng. Nội dung đƣợc trình bày trong bốn
chƣơng:
Với sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh cùng với
sự cố gắng của bản thân em đã hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên, không
tránh khỏi những thiếu sót, em kính mong nhận đƣợc sự góp ý và nhận xét
của các thầy cô giáo và đồng nghiệp.

3


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA
VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1.1. Tổng quan về sóng hài
1.1.1. Giới thiệu chung
Hoạt động của hệ thống điện đó là một quá trình cân bằng giữa tổng
công suất phát và công suất thu. Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn
mà chủ đạo là các nhà máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin
tần số cơ bản 50Hz (hoặc (60) Hz đối với một số nƣớc nhƣ Mỹ, Nhật ).
Ngƣợc lại, thu công suất thuộc về phía hộ tiêu thụ hay còn gọi là tải với nhiều
loại hình khác nhau là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các thành phần
không sin trong hệ thống điện. Nói một cách khác là các sóng hài bậc cao (bội
số của tần số cơ bản) đƣợc sinh ra ngoài mong muốn.
Theo phân tích Fourier, một sóng dòng điện hay điện áp hình sin khi bị
méo dạng tƣơng đƣơng với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, còn
lại là các thành phần sóng hài bậc cao. Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ
thuộc vào độ méo dạng so với ban đầu. Hiện nay các sóng hài bậc cao đƣợc
nhiều ngƣời đặt cho tên gọi là sóng hài.


Hình 1.1. Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng

4

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
-400
-200
0
200
400
Time (s)
Song hai h1, h2,h3

Hình 1.2. Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3
Trong hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện hay điện áp các pha bị méo
dạng và các sóng hài bậc lẻ có thể phân biệt thành các thành thành phần thứ tự
thuận, nghịch, không:
Thành phần thứ tự thuận gồm: các sóng hài bậc h1, h7, h10…
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
-400
-200
0
200
400
Time (s)
Song dien ap h1, h7,h10

Thành phần thứ tự nghịch gồm: các sóng hài bậc h2, h8, h11
5


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

-400
-200
0
200
400
Time (s)
Song dien ap h2, h8, h11

Thành phần thứ tự không gồm: các sóng hài bậc h3, 9, 12
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
-400
-200
0
200
400
Time (s)
Song dien áp h3, h9,h12

Một sóng hài với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) hay
ω=2πf
(rad/s) có thể phân tích chuỗi Furier đƣợc nhƣ sau:
0
nn
n=1
a
f ωt = + F sin nωt+ψ
2
(1.1)
Trong đó:

0
a
2
: giá trị trung bình

n
F
: biên độ của sóng hài bậc n trong chuỗi Fourier

11
Fsin ωt+ψ
: thành phần sóng cơ bản

nn
F sin nωt+ψ
: thành phần sóng hài bậc n

n
ψ
: góc pha của sóng hài bậc n
Từ (1.1) có thể viết thành:
6


n n n n n
F sin nωt+ψ =F (sinnωt.cosψ +sinψ .cosnωt)

Nếu quy ƣớc:
n n n
F sinψ =b

n n n
F cosψ =a


I m
R e
b n
a n
F n
n

Hình 1.3. Phân tích Fn thành an và bn
Từ đó có thể viết đƣợc nhƣ sau:
0
nn
n=1 n=1
a
f ωt = + a cosnωt+ b sinnωt
2
(1.2)
Hay có thể viết (1.2) dƣới dạng sau:
0
nn
n=1
a
2πnt 2πnt
f ωt = + a cos +b sin
2 T T
(1.3)

Ví dụ: Dòng điện sau chỉnh lƣu cầu 3 pha có thể đƣợc phân tích thành
phổ các thành phần sóng hài bằng FFT trong Matlab nhƣ hình 1.4
0.4 0.42 0.44 0.46 0.48
-50
0
50
FFT window: 5 of 40 cycles of selected signal
Time (s)
0 50 100 150 200
0
2
4
6
8
10
12
14
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 50.8 , THD= 15.22%
Mag (% of Fundamental)

Hình 1.4. Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha
7


Theo thông tƣ 32 /2010/TT-BCT Của Bộ Công thƣơng đã áp dụng tiêu chuẩn
sóng hài 519 của IEEE cho tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điện năng của Việt
nam. Đó là hệ số méo dạng THD:
2
n

n=2
1
X
THD=
X
(1.4)
Trong đó:
X
1
là biên độ thành phần cơ bản
X
n
là biên độ thành phần điều hòa bậc n
Từ (1.4) đƣợc triển khai áp dụng để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp:
Hệ số méo dạng dòng điện
2
n
n=2
2
1
I
THD=
I

Trong đó :
I
1
là biên độ thành phần dòng cơ bản
I
n

là biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n
Hệ số méo dạng điện áp
2
n
n=2
2
1
U
THD=
U

Trong đó :
U
1
là biên độ thành phần điện áp cơ bản
U
n
là biên độ thành phần áp điều hòa bậc n
1.1.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện
Các sóng hài trong công nghiệp chủ yếu đƣợc tạo ra bởi tất cả các tải
phi tuyến. Các phần tử phi tuyến điển hình là quộn dây của máy biến áp, động
cơ làm việc ở chế độ bão hòa mạch từ, các dụng cụ bán dẫn công suất nhƣ
8


thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lƣu, nghịch lƣu, điều áp xoay
chiều…), các đèn điện tử, máy hàn, các hệ truyền động điện…
1. Máy biến áp.
Hiện tƣợng bão hòa mạch từ của máy biến áp lực có thể sinh ra sóng hài
bậc cao. Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến

tính trong đƣờng cong B-H sẽ dẫn đến dòng điện từ bị méo và có chứa các
sóng hài bậc cao.
2. Động cơ.
Các sóng hài bậc cao đƣợc phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ
yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato. Các
máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi biến dạng từ trƣờng,
sự bão hòa trong các mạch chính và do các dây quấn dùng để giảm dao động
đặt không đối xứng.
3. Thiết bị điện tử công suất.
Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lƣu, nghịch lƣu, điều
áp xoay chiều…) đều đƣợc cấu thành từ các thiết bị bán dẫn nhƣ diode,
thyristor, MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến gây sóng hài
bậc cao.
Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài sinh ra khác
nhau. Các mạch chỉnh lƣu trong biến tần thƣờng là chỉnh lƣu cầu ba pha có ƣu
điểm là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhƣng sản sinh nhiều sóng hài. Để giảm bớt
sóng hài có thể dùng hai mạch chỉnh lƣu cầu ba pha ghép lai với nhau tạo
thành chỉnh lƣu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lƣu cầu ba pha vào tạo thành bộ
chỉnh lƣu 24 xung.
Ví dụ sóng hài gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:
- Chỉnh lƣu cầu một pha: Giả sử xét với tải có tính cảm
9


D1 D3
D6
D4
Ia
Load

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha
Dòng điện trên đƣờng dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lƣu:
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-40
-20
0
20
40
Time (s)
Current (A)

Hình 1.6. Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển

Hình 1.7. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha
- Chỉnh lƣu cầu ba pha: các van bán dẫn có thể là GTO, diode,
thyristor…
Trƣờng hợp chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển:
10


D
1
D
3
D
5
D
2
D
6

D
4
Load
Ia

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lƣu:
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-100
-50
0
50
100
Time (s)
Current (A)

Hình 1.9. Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển


Hình 1.10. Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lƣu cầu ba pha có độ méo rất lớn
THD=28,52 %. Các thành phần sóng hài này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh
lƣu cầu gây ra. Trong đó các thành phần sóng hài bậc 5, 7, 11 là chủ yếu.
11


Đối với bộ chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển, Sơ đồ nguyên lý của
chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển nhƣ hình 1.11. Các kết quả mô phỏng cho
ảnh hƣởng đến dòng phía nguồn (đầu vào chỉnh lƣu) nhƣ sau:

T
1
T
3
T
5
T
2
T
6
T
4
Load
Ia

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển
Ứng ứng góc điều khiển là = 30
0
dòng điện phía lƣới đƣợc mô phỏng
kèm theo phân tích FFT bằng Matlab nhƣ hình 1.12

Hình 1.12. Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 300
Ứng ứng góc điều khiển là = 50
0
dòng điện phía lƣới đƣợc mô phỏng
kèm theo phân tích FFT bằng Matlab nhƣ hình 1.13
12

Hình 1.13. Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 500
Ứng ứng góc điều khiển là = 70
0
dòng điện phía lƣới đƣợc mô phỏng
kèm theo phân tích FFT bằng Matlab nhƣ hình 1.14

13


Hình 1.14. Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 700
Ứng ứng góc điều khiển là = 90
0
dòng điện phía lƣới đƣợc mô phỏng
kèm theo phân tích FFT bằng Matlab nhƣ hình 1.15


Hình 1.15. Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 900
Từ phân tích ở trên với chỉnh lƣu cầu ba pha ta thấy khi thay đổi, góc
góc điều khiển tăng thì các thành phần sóng hài bậc cao sinh ra càng lớn làm
độ méo dòng điện càng tăng.
- Các đèn huỳnh quang.
Ngày nay các đèn huỳnh quang đƣợc sử dụng rộng rãi do có ƣu điểm là
tiết kiệm đƣợc chi phí. Tuy nhiên sóng hài bậc cao sinh ra bởi đèn huỳnh
quang cũng rất lớn.
- Các thiết bị hồ quang.
14


Các thiết bị thƣờng gặp trong hệ thống điện là các lò hồ quang công
nghiệp. Theo thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng hài bậc cao đầu

ra biến thiên rất lớn ví dụ nhƣ sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu nóng chảy, 6%
ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời gian
tinh luyện.
1.1.3. Ảnh hƣởng của sóng hài bậc cao
Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hƣởng tới tất cả các thiết bị và
đƣờng dây truyền tải điện. Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lƣới làm giảm
chất lƣợng điện năng. Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị
và ảnh hƣởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của
thiết bị, trong nhiều trƣờng hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị.
Ảnh hƣởng quan trọng nhất của sóng hài bậc cao đó là việc làm tăng giá
trị hiệu dụng cũng nhƣ giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp. Có thể thấy rõ
qua công thức sau:
T
2 2 2 2 2
RMS n 0 1 2
n=0
0
1
U = u(t) dt= U = U +U +U +
T

T
2 2 2 2 2
RMS n 0 1 2
n=0
0
1
I = i(t) dt= I = I +I +I +
T

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hay điện
áp tăng do sóng hài bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề:
- Tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện. Gây ảnh hƣởng đến độ
bền cách điện của vật liệu
- Giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện.
- Các sóng hài bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn
thất sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp và tăng tổn thất điện năng.
- Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo momen, giảm
hiệu suất máy, gây tiếng ồn, các sóng hài bậc cao còn có thể sinh ra
15


momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hƣởng cơ khí làm
hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ.
- Gây ảnh hƣởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ ( tác động sai):
các sóng hài bậc cao có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây
ra hiện tƣợng nháy, tác động ngƣợc, có thể làm méo dạng điện áp, dòng
điện dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch.
- Với các thiết bị đo: ảnh hƣởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho
kết quả đo bị sai lệch.
- Với tụ điện: làm cho tụ bị quá nhiệt và trong nhiều trƣờng hợp có thể
dẫn tới phá hủy chất điện môi.
- Các sóng hài bậc cao còn làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu
sáng bị chập chờn.
- Gây ảnh hƣởng tới các thiết bị viễn thông : các sóng hài bậc cao có thể
gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hƣởng đến thiết
bị thu phát sóng.
Với những tác hại nhƣ vậy việc quy định một tiêu chuẩn thống nhất về
các thành phần sóng hài bậc cao trên lƣới cần đƣợc đƣa ra để hạn chế ảnh
hƣởng của chúng tới các thiết bị tiêu dùng điện khác và đảm bảo chất lƣợng

điện năng. Vì vậy, Việt Nam đã áp dụng tiêu chuẩn 519 của IEEE và 1000-4-
3 của IEC về giới hạn thành phần sóng hài bậc cao trên lƣới. Cụ thể nhƣ sau:
Bảng 1.1. Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit)
(IEEE std 519, Recommend Practices for Utilities)
Điện áp tại điểm nối
chung (Point Common
Couping PCC)
Nhiễu điện áp từng
loại sóng hài
(%)=
h
1
U
U

Nhiễu điện áp tổng cộng
các loại sóng hài THD
(%)
69 KV và thấp hơn
3,0
5,0
Trên 69 KV tới 161 KV
1,5
2,5
Trên 161 KV
1,0
1,5