Nghiên cứu giảm thiểu sóng hài lưới điện nhà máy thép trên địa bàn thành phố hồ chí minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHAN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU SÓNG HÀI
LƢỚI ĐIỆN NHÀ MÁY THÉP TRÊN ĐỊA BÀN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHAN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU SÓNG HÀI
LƢỚI ĐIỆN NHÀ MÁY THÉP TRÊN ĐỊA BÀN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VÕ VIẾT CƢỜNG

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2016


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: Tiến sĩ Võ Viết Cƣờng

Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 9 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên
PGS.TS. Ngô Cao Cƣờng
PGS.TS. Lê Chí Kiên
TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
GS. TS. Lê Kim Hùng
TS. Đoàn Thị Bằng

Chức danh Hội đồng

Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PGS.TS. Ngô Cao Cƣờng


TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 29 tháng 7 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Tiến Dũng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 11/05/1980

Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 1441830036

I- Tên đề tài:
Nghiên cứu giảm thiểu sóng hài lƣới điện Nhà máy thép trên địa bàn TP.HCM.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
 Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về chất lƣợng điện năng.
 Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về sóng hài.
 Tìm hiểu các tiêu chuẩn liên quan về sóng hài.
 Nghiên cứu các giải pháp chống sóng hài.
 Lựa chọn một trong các giải pháp để thực hiện chống sóng hài.
 Thực hiện chống sóng hài cho Nhà máy thép.
 Nhận xét và đánh giá kết quả.
 Kết luận.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 01/2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 7/2016
V- Cán bộ hƣớng dẫn: Tiến sĩ Võ Viết Cường
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

TS. Võ Viết Cƣờng

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình

nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Phan Tiến Dũng


ii

LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên con xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những ngƣời thân
trong gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập
và thực hiện đề tài.
Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý thầy cô trƣờng Đại Học Công Nghệ TP
Hồ Chí Minh, Quý thầy cô đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt
quá trình học tập tại trƣờng để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Đặc biệt em xin đƣợc cảm ơn thầy TS. Võ Viết Cƣờng đã tận tình giúp đỡ,
hƣớng dẫn và động viên em trong suốt quá trình thực hiện để em có thể hoàn thành tốt
luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn các Ban Giám Đốc và các Anh Chị công tác tại Công ty
Điện lực Gia Định, Công ty Thí Nghiệm Điện lực TP.HCM, Công ty TNHH MTV
Thép Đăng Khoa, Công ty TNHH SX TM Thép Châu Á, Ban Kỹ thuật thuộc Tổng
Công ty Điện Lực Tp.Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong
quá trình học tập và công tác.
Cuối cùng xin cám ơn tất cả những ngƣời bạn đã kề vai sát cánh cùng tôi trong
suốt thời gian qua.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 9 - 2016
Học viên thực hiện
Phan Tiến Dũng

iii

TÓM TẮT
Trƣớc sự lớn mạnh của nền kinh tế thì việc gia tăng nhanh chóng phụ tải điện đã
gây sức ép rất lớn cho ngành điện, đặc biệt là sự gia tăng của các phụ tải phi tuyến
trong các hệ thống điện nói chung và trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng. Đây chính
là nguồn gốc phát ra các sóng sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản mà đƣợc
gọi là các sóng hài. Các sóng hài này lan truyền trong các hệ thống điện và gây ra các
ảnh hƣởng bất lợi lên các phần tử của hệ thống điện. Vì thế, “Nghiên cứu giảm thiểu
sóng hài lƣới điện Nhà máy thép trên địa bàn TP.HCM” là cần thiết. Với mục tiêu: đƣa ra
giải pháp giảm thiểu sóng hài đến mức chấp nhận đƣợc cho lƣới điện của các nhà máy
thép tại TP.HCM.
Sau một thời gian nghiên cứu, luận văn đã thực hiện các vấn đề chính sau:
- Tìm hiểu lý thuyết về: (1) nguồn gốc phát sinh sóng hài và các ảnh hƣởng của
sóng hài lên hệ thống điện; (2) Tìm hiểu các tiêu chuẩn liên quan đến sóng hài.
- Tiến hành đo đạc thực tế tại Nhà máy thép Đăng Khoa và nhà máy thép Châu Á
trên địa bàn huyện Hóc Môn, TP.HCM.
- Từ những lý thuyết có đƣợc cùng những thực tế đo đạc tại một số nhà máy
thép trên địa bàn TP.HCM, luận văn thực hiện nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu
sóng hài và đƣa ra giải pháp giảm thiểu sóng hài có hiệu quả. Các giải pháp sau đó
đƣợc kiểm chứng bằng các kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab và đƣa ra kết
luận nhƣ sau: (1) Kết quả mô phỏng cho thấy bộ lọc tích cực đã thiết kế làm việc rất
tốt, dòng điện nguồn sau khi lọc có tổng độ méo dạng THD< 5%, đạt yêu cầu cho phép
của tiêu chuẩn IEEE std 159-1992 và IEC 1000-3-4. (2) Phƣơng pháp này khi kết hợp
với cuộn kháng lọc sẽ cho kết quả lọc rất tốt và khắc phục đƣợc các gợn nhỏ và gai
nhọn.

iv

ABSTRACT

Because of the growth of the economy, the rapid increase in electricity load
caused huge pressure for the power sector, especially the rise of nonlinear loads in the
power system and particularly in industry sector. This is reason why the frequency sine
waves are integer multiples of the basic frequency called harmonics. The spread
harmonics in the power system and cause adverse effects to the elements of the power
system. Therefore, "Solution for reducing the harmonics in electricity system of Steel
plant in HCM City – case study" is necessary. With the aim: to find solutions to reduce
harmonics to an acceptable level for the power grid of the steel plant in Vietnam.
After a period of research, the thesis had achived some following key issues:
- Study the theory of: (1) the cause of harmonics and the effects of harmonics on
power systems; (2) Learn the standards related to harmonics.
- Measure some parametters from Dang Khoa and Chau A steel Plant in Hoc Mon
district, HCM city.
- From the theory and measuring in the reallity to undertake research and offer
solutions effectively minimize harmonics. The solution is verified by simulation results
using Matlab software and concluded as follows: (1) The simulation results showed
positive filter designed to work very well, power lines source after the filter has a total
distortion THD <5% (follow permission from IEEE standard 159-1992 and IEC 10003-4 std). (2) This approach, when combined with the compensating reactor will result
in very good filter and fix the small ripple and thorns.


v

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ............................................................................................................... i

Lời cảm ơn .................................................................................................................ii
Tóm tắt ..................................................................................................................... iii
Abstract ..................................................................................................................... iv
Mục lục ....................................................................................................................... v
Danh mục các từ viết tắt ............................................................................................ ix
Danh mục các bảng .................................................................................................... x
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh ......................................................... xi
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG
HÀI
1.1 Tổng quan về chất lƣợng điện năng
1.1.1 Định nghĩa chất lƣợng điện năng
1.1.2 Chất lƣợng điện năng = chất lƣợng điện áp
1.2 Tổng quan về sóng hài
1.2.1 Khái niệm sóng hài
1.2.2 Hiệu ứng sóng hài
1.2.3 Dòng hài
1.2.4 Tác hại của sóng hài
1.2.5 Các đại lƣợng biểu thị cho sóng hài
1.2.5.1 Độ méo dạng hài toàn phần

1
1
1
2
2
3
3
4
4
5

5

1.2.5.2 Độ méo dạng nhu cầu tổng
1.2.6 Khái niệm điểm kết nối chung
1.3 Nguồn gốc phát sinh sóng hài
1.3.1 Các phụ tải phát sinh hài trong thƣơng mại
1.3.1.1 Đèn huỳnh quang

6
7
8
8
9

1.3.1.2 Các bộ điều chỉnh tốc độ
1.3.1.3 Các bộ nguồn một pha
1.3.2 Các phụ tải phát sinh hài trong công nghiệp
1.3.2.1 Các bộ biến đổi công suất ba pha dùng linh kiện điện tử công suất

9
10
11
11


vi

1.3.2.2 Các thiết bị hồ quang
1.3.2.3 Các thiết bị bão hòa
1.4 Ảnh hƣởng của sự méo dạng sóng hài lên các phần tử của hệ thống điện

1.4.1 Ảnh hƣởng lên tụ điện
1.4.2 Ảnh hƣởng lên các máy biến áp
1.4.3 Ảnh hƣởng lên các động cơ
1.4.4 Ảnh hƣởng lên các đƣờng dây truyền thông, dụng cụ đo đếm điện năng,
thiết bị điều khiển và thiết bị điện tử nhạy cảm
1.5 Các tiêu chuẩn sóng hài
1.5.1 Tiêu chuẩn sóng hài trong nƣớc
1.5.2 Tiêu chuẩn sóng hài quốc tế
1.5.2.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992
1.5.2.2 Tiêu chuẩn IEC
CHƢƠNG 2: LÕ CẢM ỨNG VÀ SÓNG HÀI DO LÒ CẢM ỨNG GÂY RA
2.1 Tổng quan về lò nấu thép cảm ứng
2.1.1 Giới thiệu chung về lò cam ứng
2.1.2 Phạm vi ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số
2.1.3 Phân loại các thiết bị gia nhiệt tần số
2.2 Mô hình hóa lò nấu thép cảm ứng sử dụng mạch nghịch lƣu cộng hƣởng
nguồn dòng song song.
2.2.1 Giới thiệu về mạch lò cộng hƣởng song song
2.2.2 Mô hình hóa lò nấu thép cảm ứng sử dụng mạch nghịch lƣu cộng hƣởng
nguồn dòng song song trên phần mềm matlab/Simulink.
2.2.2.1 Các thông số của mô hình:
2.2.2.2 Khối cấp nguồn
2.2.2.3 Khối chỉnh lƣu có điều khiển
2.2.2.4 Khối nghịch lƣu cộng hƣởng nguồn dòng
2.2.2.5 Khối lò nấu thép cảm ứng
2.2.2.6 Khối phát xung điều khiển
2.2.2.7 Khối đo lƣờng và hiển thị
2.3 Nhận xét
CHƢƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU SÓNG HÀI
3.1 Các giải pháp giảm thiểu sóng hài

13
13
14
14
15
18
19
20
20
21
21
23
25
25
25
26
26
27
27
29
29
30
30
31
32
33
34
39
40

40


vii

3.1.1 Vai trò của việc nghiên cứu sóng hài
3.1.2 Thủ tục nghiên cứu sóng hài
3.1.3 Giảm các dòng điện hài đƣợc sinh ra bởi phụ tải bằng cuộn cảm
3.1.4 Giảm các dòng điện hài đƣợc sinh ra bởi phụ tải bằng tổ đấu dây của máy
biến áp
3.1.5 Lọc
3.1.5.1 Bộ lọc thụ động

40
41
42

3.1.5.2 Bộ lọc tích cực
3.1.6 Hiệu chỉnh đáp ứng tần số của hệ thống
3.2 Ứng dụng hệ mờ điều điều khiển bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng
3.2.1 Tập mờ
3.2.1.1 Định nghĩa tập mờ
3.2.1.2 Bộ điều khiển mờ cơ bản
3.2.1.3 Các thuật ngữ trong logic mờ
3.2.1.4 Biến ngôn ngữ
3.2.2 Phép mờ trên tập mờ
3.2.2.1 Phép hợp hai tập mờ

59
60

61
61
61
61
62
63
64
64

3.2.2.2 Phép giao hai tập mờ
3.2.2.3 Mệnh đề hợp thành
3.2.3 Luật hợp thành
3.2.4 Giải mờ
3.2.5 Bộ điều khiển mờ

44
47
47

64
65
65
67
68

3.2.6 Nguyên lý điều khiển mờ
68
3.3 Giải pháp giảm thiểu sóng hài cho các công ty thép sử dụng lò cảm ứng
69
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG

70
4.1 Phân tích số liệu sóng hài đo đƣợc của phụ tải thực tế tại nhà máy thép
70
4.1.1 Số liệu sóng hài đo tại Công ty TNHH MTV Thép Đăng Khoa, Xã
Đông Thạnh, Huyện Hốc Môn, TP.HCM.
70
4.1.2 Số liệu sóng hài đo tại Công ty TNHH Sản Xuất - Thƣơng Mại Thép
Châu Á, Xã Xuân Thới Sơn, Huyện Hốc Môn, TP.HCM.
71
4.1.3 Thông số kỹ thuật Công ty thép Đăng Khoa
72
4.1.4 Nhận xét về số liệu sóng hài đo đƣợc
73


viii

4.2 Xây dựng mô hình cho giải pháp đã chọn để tiến hành mô phỏng bằng phần
mềm Matlab
4.2.1 Tính toán các thông số của bộ lọc AF
4.2.1.1 Tính chọn giá trị nguồn một chiều cấp cho nghịch lƣu
4.2.1.2 Tính chọn giá trị tụ điện C
4.2.1.3 Tính chọn giá trị điện cảm Lf
4.2.1.4 Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển
4.2.1.5 Cấu trúc điều khiển AF
4.2.1.6 Xác định dòng điện bù hài (iref)
4.2.1.7 Bộ lọc thông thấp (LPF)
4.2.1.8 Phƣơng pháp điều chế PWM
4.2.2 Mô hình hóa bộ lọc AF bằng phần mềm Matlab/Simulink
4.2.2.1 Khâu tách dòng điện hài BPF

4.2.2.2 Bộ lọc thông thấp LPF
4.2.2.3 Bộ điều khiển AF
4.2.2.4 Khâu AF
4.2.3 Ứng dụng hệ mờ điều khiển bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng.
4.2.3.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ
4.2.3.2 Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulik khi sử dụng bộ điều
khiển mờ
4.3 Đánh giá và so sánh kết quả
4.3.1 Đánh giá và so sánh kết quả khi thêm bộ lọc tích cực sử dụng hệ mờ
4.3.2 So sánh kết quả khi thêm bộ lọc tích cực sử dụng hệ mờ với điều khiển bộ
lọc tích cực bằng phƣơng pháp điều khiển theo vecto không gian.
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬT VÀ KIẾN NGHỊ
5.1 Kết luận
5.2 Kiến nghị
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

74
74
74
75
76
76
77
77
78
79
80
80
81

81
81
82
82
85
88
88
91
92
92
92
94


ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
- ASD (Adjustabe Speed Drive): Bộ điều chỉnh tốc độ.
- ANSI (American National Standards Institute): Tiêu chuẩn kỹ thuật, Mỹ.
- Cap (Capacitor): Tụ điện.
- CENLEC (European Committee for Electrotechnical Standardization): Ủy ban châu
âu về tiêu chuẩn hóa kỹ thuật điện.
- CSI (Current Source Inverter): Bộ nghịch lƣu kiểu nguồn dòng.
- EMC (Electromagnetic Compatibility): Khả năng tƣơng thích điện từ.
- ENs (European Standards) : Các tiêu chuẩn của Châu âu
- Filt (Filter): Bộ lọc.
- Fund (Fundamental): Cơ bản.
- GTO (Gate Turn Off): Linh kiện bán dẫn công suất Thyristor có điều khiển đóng hoặc
ngắt bằng dòng điện xung dƣơng hoặc âm kích cổng.
- Harm (Hamornic): Sóng hài.

- IEC (International Electrotechnical Commission): Hội đồng kỹ thuật điện quốc tế.
- IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers): Viện kỹ sƣ điện - điện
tử, Mỹ.
- L-L (Line - Line): Pha-pha.
- PCC (Point of Common Coupling): Điểm kết nối chung.
- PWM (Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung.
- RMS (Root Mean Square): Trị hiệu dụng.
- SCR (Silicon Controlled Rectifier): Linh kiện bán dẫn công suất Thyristor có điều
khiển đóng bằng dòng điện xung dƣơng kích cổng, không kích ngắt.
- SMPS (Switch-Mode Power Supply): Bộ nguồn một chiều dạng xung.
- TDD (Total Demand Distortion): Méo dạng nhu cầu tổng.
- THD (Total Harmonic Distortion): Méo dạng sóng hài toàn phần.
- VSI (Voltage Source Inverter): Bộ nghịch lƣu kiểu nguồn áp.


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Ví dụ việc đánh giá thông số của tụ ............................................................ 16
Bảng 1.2 Các giá trị PEC-R của các máy biến áp tiêu biểu ........................................... 18
Bảng 1.3 Độ biến dạng sóng hài điện áp .................................................................... 21
Bảng 1.4 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ biến
(từ 120V đến 69.000V) .............................................................................................. 21
Bảng 1.5 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ biến
(từ 69.001V đến 161.000V) ....................................................................................... 22
Bảng 1.6 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống truyền tải
(>161.000V) ............................................................................................................... 22
Bảng 1.7 Các mức giới hạn méo dạng điện áp theo tiêu chuẩn IEEE519-1992 ........ 23
Bảng 1.8 Giới hạn phát sinh dòng hài cho thiết bị theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-4 .. 24
Bảng 2.1 So sánh hiệu suất và việc cung cấp điện cho lò nấu thép cảm ứng ............ 28

Bảng 2.2 Tỷ lệ các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn ................................ 38
Bảng 3.1 Gía trị méo dạng tối đa theo % tổng trở của cuộn kháng ........................... 43
Bảng 4.1 Bảng luật hợp thành .................................................................................... 85
Bảng 4.2 Tỷ lệ thành phần sóng điều hòa của dòng điện nguồn pha A trƣớc và sau
khi có bộ lọc AF tác động sử dụng điều khiển mờ ..................................................... 88
Bảng 4.3 Tỷ lệ thành phần sóng điều hòa của dòng điện nguồn pha A trƣớc và sau
khi có bộ lọc AF tác động sử dụng điều khiển Fuzzy ................................................. 90


xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các kết quả thăm dò về nguyên nhân làm xấu chất lƣợng điện năng ......... 2
Hình 1.2 Cách xác định điểm kết nối chung dựa vào số phụ tải ................................. 8
Hình 1.3 Dòng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang dùng tăng phô từ .................. 10
Hình 1.4 Dòng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang dùng tăng phô điện tử .......... 10
Hình 1.5 Cấu tạo bộ nguồn dạng xung ...................................................................... 10
Hình 1.6 Dòng điện và phổ hài của bộ nguồn dc dạng xung .................................... 11
Hình 1.7 Dòng điện và phổ hài của bộ ASD dạng CSI ............................................. 12
Hình 1.8 Dòng điện và phổ hài của bộ ASD dạng PWM ......................................... 12
Hình 1.9 Mạch tƣơng đƣơng của thiết bị hồ quang .................................................. 13
Hình 1.10 Đặc tính từ hóa của máy biến áp .............................................................. 13
Hình 1.11 Dòng điện từ hóa của máy biến áp và phổ hài tƣơng ứng ....................... 14
Hình 1.12 Dòng điện của tụ điện khi xảy ra cộng hƣởng với hài bậc 11 ................. 15
Hình 1.13 Sự liên kết cảm ứng của dòng điện dƣ của hệ thống điện đối với mạng
điện thoại .................................................................................................. 19
Hình 1.14 Hƣớng đi của các dòng hài ...................................................................... 20
Hình 2.1 Cấu tạo chung của lò nấu thép cảm ứng .................................................... 26
Hình 2.2 Mạch lò cảm ứng song song....................................................................... 27
Hình 2.3 Mạch cấp điện cho tải lò nấu thép cảm ứng ............................................... 29

Hình 2.4 Mô hình hệ thống cung cấp điện lò nấu thép cảm ứng trên phần mềm
Matlab/Simulink ......................................................................................................... 30
Hình 2.5 Nguồn cung cấp ba pha ba dây .................................................................. 30
Hình 2.6 Khối chỉnh lƣu có điều khiển ..................................................................... 31
Hình 2.7 Khối nghịch lƣu cộng hƣởng nguồn dòng .................................................. 31
Hình 2.8 Khối lò nấu thép cảm ứng ........................................................................... 32
Hình 2.9 Khối phát xung điều khiển .......................................................................... 33


xii

Hình 2.10 Giản đồ xung kích điều khiển bộ nghịch lƣu cộng hƣởng ....................... 34
Hình 2.11 Khối đo lƣờng và hiển thị ......................................................................... 34
Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện tại các điểm đo trên sơ đồ mô phỏng lò cảm
ứng .............................................................................................................................. 37
Hình 2.13 Phổ tín hiệu dòng điện pha A ứng với Lt=108,4 µH ................................. 38
Hình 3.1 Mức độ méo dạng dòng điện theo điện kháng Z của cuộn kháng ............. 43
Hình 3.2 So sánh độ méo dạng của hai trƣờng hợp có và không có cuộn kháng 3%
đối với nhiều dung lƣợng khác nhau của bộ ASD ..................................... 44
Hình 3.3 Kết hợp 2 bộ ASD 6-xung với 2 máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau để
tạo ra hiệu ứng 12-xung để loại bỏ các hài bậc 5 và bậc 7 ........................ 45
Hình 3.4 Máy biến áp đấu dây kiểu ZigZag để dẫn các hài thứ tự không ra khỏi hệ
thống ........................................................................................................... 45
Hình 3.5 Cấu tạo các bộ lọc thụ động phổ biến ....................................................... 47
Hình 3.6 Một pha của bộ lọc ba pha điển hình đƣợc bao kín bằng kim loại ........... 48
Hình 3.7 Bộ lọc tiêu biểu cho các ứng dụng trong công nghiệp ............................... 48
Hình 3.8 Tạo một bộ lọc hài bậc 5 và ảnh hƣởng của chúng lên đáp ứng của
hệ thống .................................................................................................... 49
Hình 3.9 Cấu tạo của bộ lọc thụ động nối tiếp điển hình ......................................... 51
Hình 3.10 Cấu tạo của bộ lọc thông thấp dải rộng điển hình.................................... 51

Hình 3.11 Ứng dụng bộ lọc thông thấp dải rộng trong hệ thống điện công nghiệp 52
Hình 3.12 Cấu tạo của bộ lọc thông thấp dải rộng ba pha điển hình ....................... 53
Hình 3.13 Bộ lọc thông thấp dải rộng thƣơng mại 600 V điển hình ........................ 54
Hình 3.14 Cấu tạo của bộ lọc C điển hình và đáp ứng tần số của chúng ................ 55
Hình 3.15 Mạch tƣơng đƣơng của bộ lọc C ............................................................. 56
Hình 3.16 Đáp ứng tần số của bộ lọc C với các mức dòng hài tối đa (10%, 30% và
50%) đƣợc phép chạy vào hệ thống tại tần số hT=5,5 ............................. 57


xiii

Hình 3.17 Đáp ứng tần số của bộ lọc C ứng với hai trƣờng hợp có và không có sự kết
hợp với bộ lọc notch .................................................................................................. 59
Hình 3.18 Ứng dụng điển hình của bộ lọc tích cực ................................................ 59
Hình 3.19 Các dạnh hàm liên thuộc thông dụng ........................................................ 61
Hình 3.20 Bộ điều khiển mờ cơ bản .......................................................................... 62
Hình 3.21 Ví dụ về một bộ đồ điều khiển mở động ................................................... 62
Hình 3.22 Miền giá trị ................................................................................................ 62
Hình 3.23 Hàm liên thuộc biến nhiệt sai .................................................................... 63
Hình 3.24 Phép hợp hai tập mờ .................................................................................. 64
Hình 3.25 Phép giao hai tập mờ ................................................................................. 65
Hình 3.26 Tổng hợp theo động cơ suy diễn ............................................................... 67
Hình 3.27 Giải mờ theo phƣơng pháp trọng tâm ...................................................... 68
Hình 3.28 Bộ điều khiển mờ MIS .............................................................................. 68
Hình 3.29 Nguyên lý điều khiển mờ .......................................................................... 68
Hình 4. 1 Phổ hài điện áp và hài dòng điện đo đƣợc tại công ty thép Duy anh ....... 71
Hình 4.2 Phổ hài điện áp và hài dòng điện đo đƣợc tại công ty thép Tiến bộ ......... 72
Hình 4.3 Cấu trúc tổng quát của toàn bộ lò nấu thép cảm ứng có bộ lọc AF ............ 74
Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực AF....................................................... 77
Hình 4.5 Sơ đồ mạch điện và đặc tính pass filter....................................................... 78

Hình 4.6 Sơ đồ mạch điện LPF .................................................................................. 78
Hình 4.7 Phƣơng pháp điều chế PWM ...................................................................... 80
Hình 4.8 Mô hình khâu tách dòng điện dài BPF ........................................................ 80
Hình 4.9 Mô hình khâu lọc thông thấp LPF .............................................................. 81
Hình 4.10 Mô hình khâu điều khiển .......................................................................... 81
Hình 4.11 Mô hình khâu nghịch lƣu AF .................................................................... 82
Hình 4.12 Mờ hóa biến ngôn ngữ e ........................................................................... 83
Hình 4.13 Mờ hóa biến ngôn ngữ de ......................................................................... 83


xiv

Hình 4.14 Mờ hóa biến ngôn ngữ u ........................................................................... 84
Hình 4.15 Quan hệ giữa u theo e và de ...................................................................... 85
Hình 4.16 Sơ đồ tổng quát của hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ ......................... 86
Hình 4.17 Phổ tín hiệu điện áp pha A (thanh cái B1) ................................................ 87
Hình 4.18 Phổ tín hiệu dòng điện pha A (thanh cái B1) ............................................ 87
Hình 4.19 Dòng điện tải ilA và dòng điện nguồn isA................................................ 89
Hình 4.20 Phổ tín hiệu của dòng điện sau điểm nối chung thanh cái B1 và B2 ........ 89
Hình 4.21 Điều khiển bộ lọc theo phƣơng pháp vectơ không gian ........................... 91
Hình 4.22 Điều khiển bộ lọc mờ ................................................................................ 91


1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI
1.1 Tổng quan về chất lƣợng điện năng
1.1.1 Định nghĩa chất lƣợng điện năng
Có thể có nhiều định nghĩa khác nhau về chất lƣợng điện năng tùy thuộc vào
quan điểm của mỗi ngƣời. Ví dụ, các Công ty điện lực có thể định nghĩa chất lƣợng

điện năng là độ tin cậy cung cấp điện và thể hiện bằng phần trăm độ tin cậy, chẳng hạn
nhƣ 99,98%. Các nhà sản xuất thiết bị dùng điện có thể định nghĩa chất lƣợng điện
năng là những đặc tính của nguồn cung cấp mà cho phép thiết bị làm việc một cách
đúng đắn. Những đặc tính này có thể là rất khác nhau đối với các tiêu chí khác nhau.
Tuy nhiên, sau cùng thì định nghĩa về chất lƣợng điện năng đƣợc đƣa ra bởi chính ý
kiến của khách hàng dùng điện. Định nghĩa này nhƣ sau:
“Bất kỳ sự cố nào xảy ra trên hệ thống điện mà làm cho điện áp, dòng điện hoặc tần
số bị sai lệch dẫn đến tải của khách hàng bị hỏng hoặc không vận hành”
Có nhiều nguyên nhân gây ra các vấn đề chất lƣợng điện năng. Biểu đồ trên
hình 1.1 cho thấy các nguyên nhân làm xấu chất lƣợng điện năng qua thăm dò của
Công ty điện lực Georgia ở Hoa kỳ, biểu đồ cho thấy cả Công ty điện lực và khách
hàng tiêu thụ điện đều tham gia vào việc gây ra các vấn đề chất lƣợng điện năng.
Ý kiến của khách hàng
Tự nhiên: 60%
Khác 3%
Láng giềng: 8%

a
Khách hàng: 12%
Công ty điện lực: 17%
Ý kiến của công ty điện lực


2

Tự nhiên: 66%
Khác 0%
Láng giềng: 8%

Khách hàng: 25%

Công ty điện lực: 1%

Hình 1.1 Các kết quả thăm dò về các nguyên nhân làm xấu chất lƣợng điện năng
Nếu năng lƣợng điện là không thỏa đáng đối với những yêu cầu của tải, thì có
nghĩa là “chất lƣợng” xấu.
1.1.2 Chất lƣợng điện năng = chất lƣợng điện áp
Thuật ngữ phổ biến để mô tả các vấn đề xấu của hệ thống điện là chất lƣợng
điện năng; Tuy nhiên, thực ra chất lƣợng điện áp đƣợc chú tâm trong hầu hết các tình
huống. Về mặt kỹ thuật, trong các thuật ngữ chuyên ngành, công suất là tốc độ phân
phối năng lƣợng và tỷ lệ với tích của điện áp và dòng điện. Thật khó định nghĩa “chất
lƣợng” cho đại lƣợng này với đầy đủ ý nghĩa. Hệ thống cung cấp điện năng có thể chỉ
điều khiển chất lƣợng của điện áp; không điều khiển trên dòng điện. Vì vậy, các tiêu
chuẩn trong lĩnh vực chất lƣợng điện năng đƣợc dành hết cho việc duy trì điện áp cung
cấp nằm trong các giới hạn cho phép.
1.2 Tổng quan về sóng hài
Khi các bộ biến đổi công suất dùng linh kiện điện tử công suất trở nên phổ biến
đầu tiên vào cuối thập niên 70 của thế kỷ 20, rất nhiều kỹ sƣ của các công ty điện lực
trở nên khá quan tâm về khã năng của hệ thống điện để thích ứng với sự méo dạng
sóng hài. Nhiều sự tiên đoán kinh khủng đã đƣợc đƣa ra cho số phận của hệ thống điện
nếu những thiết bị này đƣợc chấp nhận để tồn tại. Trong khi một vài mối quan tâm
trong những quan tâm này có thể đã đƣợc phóng đại, tuy nhiên lĩnh vực phân tích chất


3

lƣợng điện năng chịu ơn lớn đối với những nguời này bởi vì những quan tâm của họ đã
đi trƣớc trong vấn đề mới về sóng hài đã khuấy động việc nghiên cứu mà cuối cùng đã
cho ra các kiến thức về tất cả các khía cạnh về chất lƣợng điện năng.
Các vấn đề về sóng hài thì chống lại các nguyên tắc thiết kế cổ điển và vận hành
hệ thống điện mà chỉ quan tâm đến tần số cơ bản. Vì thế, các kỹ sƣ phải đối mặt với

hiện tƣợng không quen thuộc mà đòi hỏi những công cụ mới để phân tích và thiết bị
mới để giải quyết vấn đề này. Bộ phận sử dụng đầu cuối thì chịu các vấn đề về họa tần
nhiều hơn bộ phận cung cấp điện. Các hộ công nghiệp với các bộ điều chỉnh tốc độ, lò
hồ quang, lò cảm ứng, và tƣơng tự là nơi phát sinh hài đáng quan tâm nhất.
Sự méo dạng hài thì không phải là hiện tƣợng mới trên các hệ thống điện. Mối
quan tâm đối với sự méo dạng đã giảm dần và đã trải qua một khoảng thời gian trong
lịch sử của các hệ thống điện xoay chiều. Lƣớt qua các tài liệu kỹ thuật của những năm
30 và 40 của thế kỷ 20, có nhiều bài báo quan tâm về chủ đề này. May thay, chúng ta
đã thấy đƣợc trong nhiều năm rằng, nếu hệ thống đƣợc phân cở hợp lý để điều khiển
nhu cầu công suất của phụ tải, thì xác xuất mà các hài sẽ làm phát sinh sự cố nguy
hiểm đối với hệ thống điện là thấp, mặc dầu chúng có thể cho ra các sự cố đối với các
kỹ thuật truyền thông.
1.2.1 Khái niệm sóng hài
Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hƣởng trực tiếp tới chất
lƣợng lƣới điện và cần đƣợc chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới
hạn cho phép. Dòng điện hài là dòng điện có tần số là bội của tần số cơ bản. Ví dụ
dòng 250Hz trên lƣới 50Hz là sóng hài bậc 5.
Dòng điện 250Hz là dòng năng lƣợng không sử dụng đƣợc với các thiết bị trên
lƣới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hóa sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao.
1.2.2 Hiệu ứng sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ cũng có
thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới


4

sự cộng hƣởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trƣờng hợp
có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu
sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data
network) và thiết bị đo cho kết quả sai.

1.2.3 Dòng hài
Dòng điện và điện áp hài đƣợc sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống
phân phối điện. Toàn bộ các bộ biến đổi năng lƣợng điện sử dụng dƣới các dạng khác
nhau trong hệ thống điện có thể làm tăng nhiễu sóng hài bằng cách bơm trực tiếp dòng
điện hài vào lƣới. Các tải phi tuyến thông thƣờng bao gồm khởi động động cơ, các hệ
truyền động điện, máy tính và các thiết bị điện tử khác, đèn điện tử, nguồn hàn...
1.2.4 Tác hại của sóng hài
Hệ thống lƣới điện có thể bị gây hại bởi nhiều tác nhân, trong đó một nguy cơ
tiềm ẩn làm cản trở hoạt động và làm hao mòn thiết bị nhƣng ít ngƣời nhận biết đƣợc
chính là sóng hài - mối nguy cơ tiềm ẩn đƣợc phát hiện ngay đầu thập niên 1890.
Sóng hài và mức độ ảnh hƣởng: Sóng hài là dòng điện không mong muốn làm
quá tải đƣờng dây và biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc thậm chí gây hỏa hoạn)
và gây nhiễu lên lƣới điện. Trong trƣờng hợp chạy nhiều động cơ cùng lúc, nếu không
có biện pháp kiểm soát sóng hài có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu
cầu (power demand) và làm máy ngừng chạy (do nguồn bị quá tải).
Nếu phải thay thế thiết bị hƣ hỏng nguyên nhân gây ra do sóng hài, điều này có
thể làm tăng kinh phí đầu tƣ đến 15% và kinh phí vận hành đến 10%. Trong ngành
công nghiệp, bảo vệ lợi nhuận là ƣu tiên hàng đầu, kiểm soát đƣợc thiết bị và kinh phí
vận hành là nhân tố quan trọng. Muốn đạt đƣợc mục tiêu này các doanh nghiệp, tổ
chức cần lƣu tâm và làm tốt công tác hạn chế tác hại của sóng hài. Tác hại của sóng hài
với lƣới điện: Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện
tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lƣới
điện nhƣ làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hƣ


5

hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ; làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều
trƣờng hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi. Các sóng điều hòa bậc cao còn có thể
làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tƣợng nhảy rơle dẫn đến thời điểm

tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS đồng thời gây ra tổn thất
đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA dẫn đến làm năng tổn
thất điện năng.
Ngoài ra, sóng hài còn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm
méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; ảnh hƣởng đến sai số của các
thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch. Nguy hại hơn, các sóng điều hòa bậc cao còn
có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hƣởng cơ khí làm
hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ; làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng
bị chập chờn ảnh hƣởng đến con ngƣời đồng thời gây sóng điện từ lan truyền trong
không gian làm ảnh hƣởng đến thiết bị thu phát sóng.
1.2.5 Các đại lƣợng biểu thị cho sóng hài
Có một vài đại lƣợng phổ biến đƣợc dùng để biểu thị cho thành các phần hài của
một dạng sóng là độ méo dạng hài toàn phần (THD) và độ méo dạng nhu cầu tổng, mà
có thể đƣợc tính cho điện áp hoặc dòng điện:
1.2.5.1 Độ méo dạng hài toàn phần
hmax

THD 

M
h 1

M1

2
h

(1.1)

Với Mh là trị hiệu dụng của thành phần hài bậc h của đại lƣợng M. THD là thƣớc đo giá

trị hiệu dụng (giá trị thực) của các thành phần hài của một dạng sóng méo dạng. Trị
hiệu dụng của một dạng sóng méo dạng không phải là tổng của các thành phần độc lập,
mà là căn bậc 2 của tổng các bình phƣơng. THD có quan hệ với trị hiệu dụng của một
dạng sóng nhƣ sau:


6

RMS 

hmax

M
h 1

2
h

 M1 1  THD 2

(1.2)

THD là đại lƣợng rất hữu ích cho nhiều áp dụng, nhƣng các giới hạn của chúng
phải đƣợc nhận ra. Chúng cung cấp một sự hình dung lý tƣởng rằng có bao nhiêu nhiệt
thêm vào sẽ đƣợc nhận dạng khi một điện áp méo dạng đặt vào một tải trở. Nhƣ thế,
chúng có thể cho ra một sự biểu thị các tổn thất thêm vào đƣợc gây ra bởi dòng điện
chạy qua vật dẫn. Tuy nhiên, chúng không phải là đại lƣợng biểu thị tốt cho hiệu ứng
điện áp trong tụ điện bởi vì chúng liên quan với giá trị đỉnh của dạng sóng điện áp chứ
không phải giá trị tăng nhiệt của chúng.
Các điện áp hài hầu hết thƣờng đƣợc tham chiếu với giá trị cơ bản của dạng

sóng tại thời điểm lấy mẫu. Bởi vì điện áp biến đổi chỉ một vài phần trăm, THD điện áp
thì hầu nhƣ luôn luôn là một con số đầy ý nghĩa. Điều này thì không xét cho dòng điện.
Một dòng điện nhỏ có thể có THD cao, nhƣng không đe dọa đến hệ thống.
1.2.5.2 Độ méo dạng nhu cầu tổng
Các mức độ méo dạng dòng điện có thể đƣợc đặc trƣng bằng giá trị THD nhƣ đã
đề cập bên trên nhƣng điều này thƣờng làm cho hiểu sai. Một dòng điện nhỏ có thể có
THD cao nhƣng không đe dọa đáng kể đến hệ thống. Ví dụ nhƣ, nhiều bộ điều chỉnh
tốc độ thì có các giá trị THD cao đối với dòng ngõ vào khi chúng hoạt động non tải.
Không cần phải quan tâm về điều này bởi vì biên độ của dòng hài là thấp mặc dù THD
của chúng là cao.
Một vài ngƣời phân tích đã tránh dùng THD mà thay vào đó là TDD. TDD đƣợc
dùng trong tiêu chuẩn IEEE 519-1992. Chúng đƣợc xác định nhƣ sau:
hmax

TDD 

I
h2

IL

2
h

(1.3)

IL là dòng điện nhu cầu đỉnh hoặc cực đại của tải tại tần số cơ bản tại điểm kết
nối phụ tải vào hệ thống (PPC). Có hai cách để có IL. Với phụ tải đã tồn tại trong hệ

7

thống thì có thể tính IL = trung bình của dòng nhu cầu cực đại trong một năm. Phép tính
này thực hiện đơn giản bằng cách lấy trung bình chỉ số dòng điện nhu cầu đỉnh trong
12 tháng. Đối với một nhà máy mới thì IL có thể đƣợc ƣớc lƣợng dựa vào sự tiên đoán
chế độ hoạt động của tải.
1.2.6 Khái niệm điểm kết nối chung
Việc đánh giá sự méo dạng hài thƣờng đƣợc thực hiện tại một điểm giữa hộ
dùng điện hoặc khách hàng và hệ thống của điện lực ở nơi mà khách hàng khác cũng
có thể đƣợc cấp điện. Điểm này đƣợc hiểu là điểm kết nối chung.
Điểm kết nối chung này có thể đƣợc định tại hoặc là phía sơ cấp hoặc là phía
thứ cấp của máy biến áp phụ thuộc vào máy biến áp đó có cung cấp cho nhiều khách
hàng hay không. Nói theo cách khác, nếu nhiều khách hàng đƣợc cấp điện từ phía sơ
cấp của máy biến áp thì PCC đƣợc xác định tại phía sơ cấp. Ngƣợc lại, nếu nhiều
khách hàng đƣợc cấp điện từ phía thứ cấp của máy biến áp thì PCC đƣợc xác định tại
phía thứ cấp. Hình 1.5 minh họa hai khả năng này. Chú ý rằng, khi phía thứ cấp của
máy biến áp là PCC thì các phép đo dòng điện có thể vẫn đƣợc thực hiện tại phía thứ
cấp. Các kết quả của phép đo phải đƣợc qui về phía sơ cấp của máy biến áp bằng tỷ số
biến áp và tác dụng của tổ đấu dây của máy biến áp lên các thành phần thứ tự không
phải đƣợc xem xét. Ví dụ nhƣ, máy biến áp đấu tam giác sẽ không cho phép các thành
phần dòng thứ tự không chạy vào hệ thống từ phía thứ cấp sang phía sơ cấp. Những
thành phần phía thứ cấp này sẽ đƣợc giữ lại trong cuộn tam giác sơ cấp. Vì thế các
thành phần thứ tự không (là các thành phần hài bội 3 cân bằng) đo đƣợc ở phía thứ cấp
sẽ không nằm trong sự đánh giá đối với PCC ở phía sơ cấp.