Nghiên cứu mô phỏng một số hiện tượng chất lượng điện năng và các giải pháp

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Phí Văn Hùng, học viên cao học lớp 11BKTĐHTĐ ngành kỹ thuật
điện khóa 2011B. Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, tôi đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng một số hiện
tượng chất lượng điện năng và các giải pháp”.
Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Bạch Quốc Khánh cùng với các tài liệu được trích
dẫn trong phần tài liệu tham khảo.
Học viên

Phí Văn Hùng

1


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT

Chữ viết tắt

Chú thích

1

PCC

Điểm kết nối chung

2

SVC

Static Var Compensator

3

STATCOM

4

FACTS

5

VIC

6

DVIC

Direct V-I characteristic

7

TDEC

Time domain equivalent circuit

8

HVS

9

HDSNDE

10

UIE

11

CLĐN

Chất lượng điện năng

12

NNĐA

Nhấp nháy điện áp (Voltage Flicker)

13

MBA

Máy biến áp

14

GTO

Gate turn off

Static Synchronous Compensator
Flexible Alternating Current Transmission Systems
V-I characteristic

Harmonic Voltage Source
Harmonic domain of nonlinear differential equation
Union Internationale d’Electrothermie

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 1
MỤC LỤC ..................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 8
CHƯƠNG MỞ ĐẦU .................................................................................................... 9
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 9
2. Tên đề tài .............................................................................................................. 9
3. Tóm tắt nội dung luận văn .................................................................................. 10
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài ............................................................................... 11
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................................ 11
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ...... 13
1.1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu về chất lượng điện năng ................................. 13
1.2. Định nghĩa về chất lượng điện năng ................................................................... 14
1.2.1. Định nghĩa về chất lượng điện năng............................................................. 14

1.2.2. Chất lượng điện áp là một chỉ tiêu quan trọng ............................................. 15
1.3. Tổng quan các vấn đề về chất lượng điện năng .................................................. 16
1.3.1. Quá độ (transient) ......................................................................................... 16
1.3.2. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài ......................................... 17
1.3.2.1. Quá điện áp (Overvoltage). ....................................................................... 17
1.3.2.2. Thấp điện áp (Undervoltage). .................................................................... 18
1.3.2.3. Gián đoạn duy trì (Sustained interruptions). ............................................. 18
1.3.3. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn ...................................... 18
1.3.3.1. Mất điện áp (interruption). ........................................................................ 18
1.3.3.2. Sụt giảm điện áp (Voltage Sags). .............................................................. 19
1.3.3.3. Tăng điện áp (Swells). ............................................................................... 20
1.3.4. Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance) ................................................. 21
1.3.5. Độ méo sóng (Waveform Distortion)........................................................... 21
1.3.5.1. Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset) ........................................... 22

3


1.3.5.2. Sóng hài (Harmonics). ............................................................................... 22
1.3.5.3. Liên sóng hài (Interharmonics). ................................................................ 22
1.3.5.4. Đột điện áp (Notching). ............................................................................. 23
1.3.5.5. Nhiễu (Noise). ........................................................................................... 23
1.3.6. Dao động điện áp (Voltage Fluctuation) ...................................................... 23
1.3.7. Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variations) ................ 24
1.4. Kết luận ............................................................................................................... 26
CHƯƠNG 2. DAO Đ NG ĐIỆN P V NHẤP NH Y ĐIỆN P .......................... 27
2.1. Định nghĩa........................................................................................................... 27
2.2. Nguyên nhân xuất hiện ....................................................................................... 30
2.2.1. L hồ quang .................................................................................................. 31
2.2.2. Máy hàn ........................................................................................................ 33

2.2.3. Nồi h i .......................................................................................................... 34
2.2.4. Tụ điện .......................................................................................................... 34
2.2.5. Các thiết bị mạng hạ thế ............................................................................... 34
2.2.6. Hệ thống tuabin điện gió .............................................................................. 35
2.3. Đánh giá nhấp nháy điện áp................................................................................ 35
2.3.1. Các chỉ tiêu đánh giá .................................................................................... 35
2.3.2. Phư ng pháp đánh giá nhấp nháy điện áp .................................................... 38
2.3.2.1. Đánh giá độ thay đổi điện áp ..................................................................... 38
2.3.2.2. Tính toán mức độ nghiêm trọng của nhấp nháy điện áp ........................... 39
CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA L HỒ QUANG ĐẾN LƯ I ĐIỆN V C C
PHƯƠNG PH P M PH NG L HỒ QUANG ........................................................ 44
3.1. L hồ quang điện. ............................................................................................... 44
3.1.1. Khái quát về l hồ quang điện ...................................................................... 44
3.1.2. Cấu tạo, nguyên l hoạt động. ...................................................................... 45
3.2. Ảnh hưởng của l hồ quang đến lưới điện ......................................................... 50
3.2.1. Sụt giảm điện áp do khởi động l hồ quang ................................................. 50
3.2.2. Quá điện áp do hồ quang .............................................................................. 51

4


3.2.3. Phát sinh sóng hài ......................................................................................... 51
3.2.4. Méo dạng sóng điện áp và d ng điện ........................................................... 51
3.2.5. Dao động điện áp và nhấp nháy điện áp....................................................... 51
3.3. Một số phư ng pháp mô phỏng l hồ quang ...................................................... 52
3.3.1. Phư ng pháp phân tích trên miền thời gian ................................................. 53
3.3.2. Phư ng pháp s dụng mạch điện tư ng đư ng khảo sát trên miền thời
gian (DTEC). .......................................................................................................... 57
3.3.2. Phư ng pháp phân tích trên miền tần số ...................................................... 58
3.3.3. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 60

CHƯƠNG 4: M PH NG ẢNH HƯỞNG CỦA L HỒ QUANG ĐẾN CHẤT
LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ............................................................................... 65
4.1. Khái quát ............................................................................................................. 65
4.2. Xây dựng mô hình tải l hồ quang ..................................................................... 65
4.3. Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink .............................................................. 68
4.3.1. Cấu trúc thư viện simulink. .......................................................................... 69
4.3.1. Cấu trúc thư viện Simpowersystems. ........................................................... 74
4.4. Mô phỏng hiện tượng chớp nháy điện áp do l hồ quang gây ra ....................... 77
CHƯƠNG 5: M T SỐ PHƯƠNG PH P KHẮC PHỤC NHẤP NH Y ĐIỆN P ... 82
5.1. Các phư ng pháp giảm dao động công suất phản kháng ................................... 82
.... 82
5.1.2. Phư ng pháp s dụng thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static
Syncronnous Compensator) ................................................................................... 85
5.1.3. Phư ng pháp s dụng điện kháng ................................................................ 87
5.1.3.1. S dụng điện kháng mắc nối tiếp với tải ................................................... 87
5.1.3.2. S dụng điện kháng bão h a ..................................................................... 87
5.2. Phư ng pháp tăng công suất ngắn mạch nguồn ................................................. 87
5.3. Một số phư ng pháp khác .................................................................................. 89
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................... 90
T I LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 91

5


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quá độ xung do sét đánh ...........................................................................16
Hình 1.2. Xung d ng điện dao động quá độ gây ra bởi việc đóng cắt các tụ điện ...17
Hình 1.3 Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha ..........................................19
Hình 1.4 Sụt giảm điện áp do khởi động một động c lớn. .....................................20
Hình 1.5 Tăng áp ở pha không bị sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha. ...........20

Hình 1.6 Mất cân bằng điện áp trong một tuần tại một nhánh cung cấp điện cho hộ
gia đình. .....................................................................................................................21
Hình 1.7 Hiện tượng đột điện áp. ..............................................................................23
Hình 1.8 Dao động điện áp do hồ quang điện. ..........................................................24
Hình 1.9 Các khái niệm được xét theo biên độ theo tiêu chuẩn IEEE-1159. ...........26
Hình 2.1. Đường cong giới hạn sự thay đổi điện áp dạng hình ch nhật ................28
Hình 2.2. Đường cong điện áp khi có sự tăng giảm điện áp tức thời .......................29
Hình 2.3. Dao động công suất của l hồ quang xoay chiều công suất 80MVA .......32
Hình 2.4. D ng điện của l hồ quang tại thời điểm đầu của quá trình làm nóng kim
loại .............................................................................................................................32
Hình 2.5. Sự thay đổi điện áp tư ng đối d = V/V = 40

ở tần số 8,8Hz...............36

Hình 2.6. Đường cong giới hạn độ biến thiên điện áp với số lần điện áp thay đổi
trong 1 phút ứng với Pst = 1.......................................................................................40
Hình 2.7. Dạng biến thiên điện áp hình sin theo chu k ...........................................41
Hình 2.8. Biến thiên điện áp dạng xung dốc và đột ngột ..........................................41
Hình 2.9. Biến thiên hình ch nhật và xung tam giác ...............................................42
Hình 3.1. S đồ mạch điện chính của l hồ quang ...................................................48
Hình 3.2. Sụt giảm điện áp do khởi động l hồ quang..............................................50
Hình 3.3. Đ c tính V-I model 1.................................................................................53
Hình 3.4. Đ c tính V-I Model 2 ................................................................................54
Hình 3.5. Đ c tính V-I model 3.................................................................................55
Hình 3.6. S đồ mạch điện tư ng đư ng model 4 ....................................................57
Hình 3.7. S đồ mạch điện thay thế model 5 ............................................................58

6

Hình 3.7: S đồ mạch điện thay thể ở tần số c bản .................................................59
Hình 3.8: S đồ mạch thay thế nguồn sóng hài điện áp ............................................59
Hình 3.9. S đồ hệ thống cấp điện cho l hồ quang .................................................60
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng 6 model đề xuất ........................................................62
Hình 4.1: Thư viện khối nguồn ................................................................................70
Hình 4.2. Thư viện khối Sink ....................................................................................71
Hình 4.3. Thư viện khối Signal Routing ...................................................................72
Hình 4.4. Thư viện khối các phép toán .....................................................................73
Hình 4.5. Thư viện khối nguồn điện .........................................................................75
Hình 4.6. S đồ mạch điện tư ng đư ng l hồ quang ba pha ...................................77
Hình 4.7. Mô hình điện dẫn pha A của l hồ quang ba pha ......................................78
Hình 4.8. S đồ nguyên l hệ thống ..........................................................................79
Hình 4.9. S đồ mô phỏng hệ thống .........................................................................79
Hình 4.10. a) Điện áp hồ quang; b)D ng điện hồ quang ..........................................80
Hình 4.11. Dạng sóng điện áp tại PCC. ....................................................................80
Hình 4.12. Điện áp hiệu dụng tại PCC ......................................................................80
Hình 4.13. D ng điện tại PCC ..................................................................................81
Hình 5.1. Cấu tạo của SVC .......................................................................................83
Hình 5.2. Nguyên l điều khiển của TCR .................................................................84
Hình 5.3. S đồ nguyên l STATCOM ....................................................................86
Hình 5.4. Dạng sóng điện áp tại PCC với công suất ngắn mạch Ssc = 10000MVA .88
Hình 5.5. Điện áp hiệu dụng tại PCC với công suất ngắn mạch Ssc = 10000MVA ..89

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phân nhóm và các đ c tính các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện ...25
Bảng 2.1. Giới hạn Pst; Plt mong muốn mạng trung thế, cao thế và siêu cao thế ......36
Bảng 2.2. Pst và Plt cho mạng trung hạ thế ...............................................................36

Bảng 2.3 Mức nhấp nháy điện áp tại mọi điểm đấu nối ...........................................37
Bảng 2.4. Độ dao động điện áp tư ng đối cho phép .................................................37
Bảng 3.1. Các thông số mô phỏng thống cung cấp điện cho l hồ quang ................61
Bảng 3.2: So sánh các thành phần sóng hài gi a các Model ....................................63
Bảng 3.3: Bảng tóm tắt các phư ng pháp mô phỏng ................................................64

8


CHƯƠNG MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hóa. Ở khắp mọi
n i, các công trường, nhà máy, xí nghiệp được xây dựng ngày càng nhiều. Cùng với
công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, nhu cầu s dụng điện năng trong
ngành công nghiệp đang ngày một tăng lên. Tốc độ tăng bình quân điện tiêu thụ cho
ngành Công nghiệp và Xây dựng giai đoạn 2001-2009 là 17,6 , riêng 4 năm 20062009 là 17,0 . Tỉ trọng tiêu thụ điện trong Công nghiệp giai đoạn 2001-2009 tăng
từ 40,6

đến 50,4 , trong đó thấp nhất vào năm 2001 và cao nhất vào năm 2009.

Trong quá trình đó, việc ứng dụng các thiết bị điện - điện t có hiệu suất cao, các
thiết bị có bộ vi điều khiển, các thiết bị điện t công suất, các l hồ quang…ngày
càng phổ biến. Các thiết bị này rất nhạy cảm với nh ng vấn đề về chất lượng điện
năng trong hệ thống điện.
Các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ thống điện rất đa dạng. Một
trong các vấn đề về chất lượng điện năng đã được nhiều quan tâm là hiện tượng dao
động điện áp ho c nhấp nháy điện áp.
Hiện nay chưa có nhiều đề tài nghiên cứu về hiện tượng nhấp nháy điện áp tại
Việt Nam. Một số nghiên cứu cố gắng mô phỏng hiện tượng nhấp nháy điện áp gây
ra bởi l hồ quang điện nhưng chủ yếu là ở mức mô phỏng l hồ quang một pha.

Luận văn này đưa ra một phư ng pháp mới để mô phỏng l hồ quang ba pha và các
ảnh hưởng của nó đến chất lượng điện năng, đ c biệt là hiện tượng dao động, nhấp
nháy điện áp.
2. Tên đề tài
“Nghiên cứu mô phỏng một số hiện tượng chất lượng điện năng và các giải
pháp”.

9


3. Tóm tắt nội dung luận văn
Chất lượng điện năng đang là một mối quan tâm rất lớn đối với không chỉ
ngành điện nói riêng mà c n cả các ban ngành khác, trong đó đ c biệt là hiện tượng
dao động ho c nhấp nháy điện áp. Nhấp nháy điện áp không chỉ ảnh hưởng đến các
thiết bị dùng điện mà c n ảnh hưởng đến sức khỏe của con người nên đang được
quan tâm nghiên cứu.
Luận văn đề cập đến một số hiện tượng chất lượng điện năng trong lưới điện
công nghiệp. Phân tích một số phư ng pháp mô phỏng l hồ quang và đưa ra một
phư ng pháp mới để mô phỏng l hồ quang ba pha với

nghĩa thực tiễn cao. Từ đó

luận văn phân tích một số biện pháp để khắc phục ảnh hưởng của l hồ quang đến
lưới điện. Nội dung chính của luận văn bao gồm các phần sau:
Chư ng 1. Nghiên cứu tổng quan về chất lượng điện năng, nêu ra sự cần thiết
của việc nghiên cứu chất lượng điện năng và các vấn đề về chất lượng điện năng
đang được quan tâm giai đoạn hiện nay.
Chư ng 2. Trình bày về hiện tượng dao động điện áp, nhấp nháy điện áp. Nêu
ra các nguyên nhân, các phụ tải thường gây ra hiện tượng dao động, nhấp nháy điện
áp và các chỉ tiêu đánh giá.

Chư ng 3. Phân tích các ảnh hưởng của l hồ quang đến lưới điện. Phân tích
ưu nhược điểm của một số phư ng pháp mô phỏng l hồ quang
Chư ng 4. Luận văn nêu ra một phư ng pháp mới để mô phỏng l hồ quang
ba pha với

nghĩa thực tiễn cao, mô phỏng hiện tượng dao động, nhấp nháy điện áp

do l hồ quang gây ra
Chư ng 5. Phân tích một số biện pháp khắc phục hiện tượng nhấp nháy điện
áp. Mô phỏng biện pháp nâng cao công suất ngắn mạch của hệ thống. Từ đó đưa ra
kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

10


4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Chất lượng điện năng đang được ngành điện nói riêng và các ban ngành khác
đ c biệt quan tâm. Bộ công thư ng cụ thể hóa bằng việc áp dụng thông tư
32/2010/TT-BCT tại một số tỉnh miền Nam quy định về tổng độ méo sóng hài điện
áp, d ng điện, mức độ nhấp nháy điện áp cho phép. Các công ty điện lực đã đầu tư
mua sắm thiết bị đo đạc để đánh giá mức độ ảnh hưởng của phụ tải công nghiệp đến
hệ thống cung cấp điện đ c biệt là phụ tải l hồ quang điện để từ đó áp dụng các
biện pháp khắc phục, nâng cao chất lượng cung cấp điện. Các biện pháp cứng rắn
(như việc tạm ngừng cung cấp điện) đã được áp dụng đối với các l hồ quang không
đáp ứng được các chỉ tiêu quy định tại thông tư 32/2010/TT-BCT. Điều đó cho thấy
tầm quan trọng của việc nâng cao chất lượng điện năng trong giai đoạn hiện nay.
Để có thể dự báo được các ảnh hưởng của l hồ quang chất lượng điện năng
của hệ thống, việc mô phỏng là một phư ng pháp h u hiệu trong việc thiết kế, dự
báo các hiện tượng chất lượng điện năng do l hồ quang gây ra. Luận văn đề xuất
một phư ng pháp mới để mô phỏng l hồ quang ba pha với các hiện tượng chất

lượng điện năng do nó gây ra sẽ giúp cho việc tính toán, dự báo ở giai đoạn thiết kế
các thiết bị để khắc phục ảnh hưởng của l hồ quang đến lưới điện đ c biệt là hiện
tượng dao động, nhấp nháy điện áp.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Các chỉ tiêu để đánh giá hiện tượng nhấp nháy điện áp được trình bày trong
luận văn sẽ là c sở để đánh giá ảnh hưởng của các phụ tải điện công nghiệp nói
chung đến chất lượng điện năng của hệ thống điện. Với việc ảnh hưởng ngày càng
nhiều đến chất lượng điện năng trên HTĐ từ các l hồ quang, ngành điện lực đang
cố gắng tìm các biện pháp khắc phục. Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể xem
như tài liệu tham khảo để công nghiệp điện lực có công cụ nhận dạng các nguyên
nhân sinh ra các vấn đề về chất lượng điện năng do s dụng l hồ quang và cân
nhắc các biện pháp khắc phục.

11


Luận văn đã mô phỏng thành công l hồ quang ba pha và đánh giá ảnh
hưởng của một l hồ quang ba pha đến chất lượng của hệ thống cung cấp điện dựa
trên mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Đây là một đề tài mới dựa trên
phư ng pháp mô phỏng để đánh giá. Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ
l ng biết n sâu sắc đến thầy giáo TS. Bạch Quốc Khánh cùng các thầy cô giáo
trong bộ môn Hệ thống điện – Khoa Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm n gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi và có nh ng đóng góp qu báu cho bản luận văn.
Để bản luận văn trở nên hoàn chỉnh và hướng nghiên cứu trong bản luận văn
được phát triển tiếp, tác giả mong nhận thêm được sự góp
bạn bè và các bạn đọc.
Xin trân trọng cảm n!

12

của các thầy cô giáo,


CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
1.1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu về chất lượng điện năng
Các công ty điện lực và các khách hàng s dụng điện ngày càng quan tâm đến
chất lượng của hệ thống điện mà họ s dụng. Từ thập kỷ 80 trở lại đây, thuật ng
“chất lượng điện năng” đã trở thành một trong nh ng từ xuất hiện nhiều nhất trong
ngành công nghiệp năng lượng điện. Các l do chính để l giải cho sự quan tâm của
các công ty điện lực cũng như các khách hàng đến chất lượng của hệ thống điện đó
là:
a. Ngày càng có nhiều thiết bị điện nhạy cảm với sự thay đổi của chất lượng
điện năng h n so với các thiết bị điện trong quá khứ. Rất nhiều thiết bị điện mới có
chứa bộ vi x l , vi điều khiển, thiết bị điện t công suất đã được s dụng. Trong
quá trình hoạt động, các thiết bị này rất nhạy cảm với các loại nhiễu loạn trong hệ
thống điện, hay nói cách khác chúng là các thiết bị rất nhạy cảm với các vấn đề liên
quan đến chất lượng điện năng như là độ lệch về điện áp, d ng điện cũng như là tần
số.
b. Do yêu cầu ngày càng cao của hệ thống điện cũng như là các máy móc, thiết
bị , dây chuyền sản xuất,... về hiệu quả hoạt động dẫn tới đ i hỏi chúng ta phải tiến
hành áp dụng các thiết bị có hiệu suất cao, s dụng các phư ng pháp sản xuất tiên
tiến h n. Đối với các dây chuyền sản xuất, để tăng hiệu suất s dụng năng lượng
người ta đã s dụng các động c có điều chỉnh tốc độ thông qua các thiết bị điều
khiển điện t công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu), các thiết bị này rất nhạy cảm so với
độ lệch của điện áp cung cấp. Đối với hệ thống phân phối điện, người ta đã s dụng
các thiết bị bù nhằm làm giảm tổn thất và tăng hệ số công suất. Việc áp dụng các
thiết bị mới này sẽ gây ra các sóng hài trong hệ thống điện và có rất nhiều người

quan tâm đến các tác động của chúng trong tư ng lai đối với khả năng hoạt động
của hệ thống.

13


c. Khách hàng s dụng điện ngày càng nhận thức được về nh ng vấn đề về
chất lượng điện năng. Họ ngày càng hiểu biết nhiều h n về nh ng hiện tượng như là
mất điện, sụt giảm điện áp, các dao động do việc đóng cắt điện. Và điều đó đã kích
thích họ cải thiện chất lượng của việc phân phối điện.
d. Có rất nhiều yếu tố liên hệ với nhau trong một hệ thống. Quá trình tích hợp
đó có nghĩa rằng bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần t nào trong hệ thống cũng
đều gây ra hậu quả lớn đối với hệ thống.
Sự thúc đẩy chính của sự cần thiết phải quan tâm đến chất lượng điện năng sau
nh ng l do trên là sự gia tăng khả năng sản xuất cho khách hàng s dụng điện. Các
ngành công nghiệp sản xuất theo dây chuyền muốn tốc độ sản xuất nhanh h n, sản
xuất ra nhiều sản phẩm h n, hiệu suất s dụng của các máy móc cao h n, tuổi thọ
thiết bị sản xuất kéo dài ra h n. Các công ty điện lực cũng đang khuyến khích
nh ng mong muốn đó bởi nó giúp cho khách hàng tiêu thụ điện trở nên có nhiều lợi
nhuận h n đồng thời giúp cho ngành điện trì hoãn được lượng vốn đầu tư rất lớn đối
với trạm biến áp, các nhà máy điện bằng cách s dụng các thiết bị điện có hiệu suất
cao. Vấn đề đáng quan tâm là các thiết bị được s dụng để tăng khả năng sản xuất
thường phải chịu phần lớn nh ng hư hại và đôi khi chúng là nguyên nhân gây ra
nh ng vấn đề về chất lượng điện năng.
1.2. Định nghĩa về chất lượng điện năng
1.2.1. Định nghĩa về chất lượng điện năng
Các đối tượng khác nhau xem xét chất lượng điện năng trên các hệ qui chiếu
khác nhau, điều này làm cho cách hiểu về chất lượng điện năng có khác nhau về
hình thức:
Ngành điện mong muốn cung cấp điện năng liên tục, ổn định cho khách hàng,

chất lượng điện năng có thể được định nghĩa là độ tin cậy cung cấp điện và chỉ ra
qua các thống kê độ tin cậy của hệ thống là 0,9998.
Các nhà sản xuất thiết bị điện có thể định nghĩa chất lượng điện năng là các
đ c tính của nguồn điện cung cấp cái mà cho phép thiết bị điện làm việc một cách
tối ưu (tuổi thọ thiết bị và đ c tính làm việc của thiết bị điện được đảm bảo). Các

14


định nghĩa này có thể là rất khác nhau đối với mỗi loại thiết bị cũng như là đối với
các nhà sản xuất khác nhau.
Định nghĩa về chất lượng điện năng phải xem xét theo quan điểm của người s
dụng điện năng, chính vì vậy luận văn s dụng định nghĩa về chất lượng điện năng
như sau: “Bất k vấn đề về điện năng liên quan đến sai lệch về d ng điện, điện áp,
tần số mà nh ng sai lệch này dẫn đến sự cố ho c vận hành sai cho thiết bị của khách
hàng s dụng điện”.
1.2.2. Chất lượng điện áp là một chỉ tiêu quan trọng
Theo định nghĩa ở trên, chất lượng điện năng liên quan đến độ lệch d ng điện,
điện áp, tần số. Tần số là một chỉ tiêu mang tính hệ thống, chất lượng tần số liên
quan đến bài toán cân bằng công suất tác dụng phát và công suất tác dụng tiêu thụ.
Công suất tác dụng chỉ được đưa vào hệ thống bởi các máy phát điện. Chất lượng
điện áp là một chỉ tiêu mang tính cục bộ, điều khiển điện áp chủ yếu liên quan đén
sự cân bằng gi a công suất phản kháng phát ra và công suất phản kháng tiêu thụ.
Công suất phản kháng có thể đưa vào hệ thống theo nhiều cách khác nhau: từ máy
phát điện, các tụ bù tại nút phụ tải, điện dung đường dây.
Công suất thể hiện sự phát ra của năng lượng, công suất tỉ lệ với sự sinh ra của
d ng điện và điện áp. Rất khó có thể định nghĩa một cách đầy đủ

nghĩa về số

lượng và chất lượng trong nh ng cách hiểu đầy đủ về chất lượng điện năng. Điều
khiển công suất của hệ thống điện có thể điều khiển chất lượng điện áp, không thể
điều khiển chi tiết đến chất lượng d ng điện vì sẽ kéo theo tác động vào hoạt động
của các phụ tải, bởi vì d ng điện sinh ra trong các thiết bị điện sẽ thay đổi tu theo
mức độ mang tải của thiết bị điện đó. Do đó tiêu chuẩn chất lượng điện năng thường
được dành hết cho việc duy trì chất lượng điện áp cung cấp trong một giới hạn nhất
định.
Tuy nhiên trong khi nghiên cứu đến chất lượng điện áp, đồng thời cũng phải
chú

đến các hiện tượng về d ng điện như: D ng điện ngắn mạch lớn gây ra sụt áp,

d ng điện sét trên lưới gây ra điện áp xung rất lớn, d ng điện là các sóng hài bậc

15


cao sinh ra từ các phụ tải. Qua đó có thể hiểu c bản, toàn diện h n các vấn đề về
chất lượng điện năng.
1.3. Tổng quan các vấn đề về chất lượng điện năng
1.3.1. Quá độ (transient)
Thuật ng quá độ được s dụng từ lâu trong việc phân tích sự biến đổi của hệ
thống điện để thể hiện một sự kiện không mong muốn nhưng chỉ thoáng qua trong
tự nhiên. Một định nghĩa được s dụng phổ biến: “ Quá độ trong hệ thống điện là sự
chuyển tiếp hệ thống từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác”. Tùy
vào hình dạng của d ng điện và điện áp mà quá độ được phân thành hai loại là quá
độ xung và quá độ dao động.
1.3.1.1. Quá độ xung (Impulsive transient).
Quá độ xung là sự thay đổi đột ngột của điện áp, d ng điện ho c cả hai theo
một cực dư ng ho c âm, không làm thay đổi tần số công nghiệp trong một trạng

thái xác lập.
Xung quá độ thường được đ c trưng bởi thời gian tăng đến độ lớn xung cực
đại và thời gian giảm độ lớn xung c n một n a giá trị độ lớn cực đại, nh ng thứ mà
có thể được biểu thị bằng nội dung quang phổ của chúng.
Xung quá độ có thể kích thích tần số hoạt động của hệ thống và gây ra quá độ
dao động.

Thời gian

(kA)

D ng điện

(s)

Hình 1.1. Quá độ xung do sét đánh

16


1.3.1.2. Quá độ dao động (Oscillatory transient).
Quá độ dao động là sự thay đổi đột ngột độ lớn của d ng điện, điện áp ho c cả
hai theo cả hai chiều dư ng và âm mà không làm thay đổi tần số của hệ thống ở
trạng thái xác lập.
Một quá độ dao động bao gồm điện áp và d ng điện có giá trị tức thời thay đổi
rất nhanh theo cực tính. Nó được đ c trưng bởi các thông số như hình dạng, thời

D ng điện (A)

gian tồn tại, cũng như là cường độ của nó.

Thời gian (ms)

Hình 1.2. Xung dòng điện dao động quá độ gây ra bởi việc đóng cắt các tụ điện
1.3.2. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài
Một sự biến đổi điện áp được coi là trong khoảng thời gian dài khi ANSI giới
hạn là vượt quá một phút. Sự biến đổi điện áp trong khoảng thời gian dài bao gồm
quá điện áp và thấp điện áp. Quá áp và thấp áp thường không phải là kết quả của sự
cố trong hệ thống mà là kết quả của sự biến đổi của phụ tải trong hệ thống (hoạt
động đóng cắt tải) và hoạt động đóng cắt hệ thống.
1.3.2.1. Quá điện áp (Overvoltage).
Quá điện áp là sự tăng điện áp lên trên 110

giá trị định mức ở tần số công

nghiệp trong khoảng thời gian lớn h n một phút.
Quá điện áp thường là kết quả của việc đóng cắt tải (ví dụ như đóng cắt một tải
lớn ho c đóng một bộ tụ). Kết quả của quá điện áp là do hệ thống quá yếu cho sự
mong muốn điều chỉnh điện áp ho c là việc điều khiển điện áp là không tư ng

17


xứng. Điều chỉnh đầu phân áp của máy biến áp không đúng cũng có thể gây ra hiện
tượng quá điện áp trong hệ thống điện.
1.3.2.2. Thấp điện áp (Undervoltage).
Thấp điện áp là sự giảm điện áp xuống dưới 90

giá trị định mức ở tần số

công nghiệp trong khoảng thời gian lớn h n một phút.
Nguyên nhân gây ra thấp điện áp ngược lại với nguyên nhân gây ra quá điện
áp. Đưa một tải lớn vào hệ thống ho c cắt một bộ tụ ra khỏi hệ thống có thể gây ra
hiện tượng giảm thấp điện áp cho đến khi thiết bị điều chỉnh điện áp đưa điện áp hệ
thống trở về giá trị cho phép. Quá tải trong các mạch điện cũng có thể gây ra hiện
tượng giảm thấp điện áp.
1.3.2.3. Gián đoạn duy trì (Sustained interruptions).
Gián đoạn duy trì là hiện tượng điện áp cung cấp trở về không trong khoảng
thời gian quá một phút. Gián đoạn duy trì có thời gian lâu h n một phút thường là
sự cố vĩnh c u, nó đ i hỏi sự can thiệp của con người để khôi phục lại hoạt động
bình thường của hệ thống điện.
1.3.3. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn
Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn (Short Durations Voltage
Variations) nhỏ h n một phút gây ra bởi sự cố trong hệ thống điện, khởi động phụ
tải lớn có d ng khởi động lớn, lỗi kết nối dây dẫn điện. Tùy thuộc vào vị trí sự cố và
trạng thái hệ thống mà sự cố trong hệ thống điện có thể gây ra sự biến thiên điện áp
sụt áp (sags), tăng áp (swells) hay hoàn toàn mất điện áp (interruptions).
1.3.3.1. Mất điện áp (interruption).
Mất điện áp là hiện tượng điện áp hay d ng điện giảm xuống dưới 10

giá trị

định mức với thời gian không vượt quá 1 phút.
Mất điện áp gây ra bởi sự cố trong hệ thống điện, sự ngừng hoạt động của các
thiết bị và sự cố trong bộ phận điều khiển. Thời gian mất điện được xác định từ khi
độ lớn điện áp giảm xuống dưới 10

điện áp định mức.

18

1.3.3.2. Sụt giảm điện áp (Voltage Sags).
Sụt giảm điện áp (sụt áp) là hiện tượng điện áp ho c d ng điện giảm xuống
trong khoảng từ 10

đến 90

giá trị điện áp hay d ng điện định mức ở tần số công

nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu k đến 1 phút.
Nguyên nhân gây sụt áp thường là sự cố trong hệ thống điện, khởi động một số
phụ tải lớn. Hình 1.3 và 1.4 minh họa sụt áp do sự cố ngắn mạch một pha và do
khởi động một động c lớn.
Điện áp (V)
pu)

Thời gian (s)

Hình 1.3 Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha
Thời gian sụt điện áp ngắn hạn cũng được chia ra làm 3 loại: Tức thời
(Instantaneous), thoáng qua (Momentary), Tạm thời (Temporary). Các khoảng thời
gian chia nhỏ này tư ng ứng với mức thời gian hoạt động của các thiết bị bảo vệ nói
chung, cũng như sự phân nhỏ thời gian theo các khuyến cáo của các tổ chức kỹ
thuật quốc tế.

19


Điện áp ( )

Thời gian tồn tại: 3.200 s
Nhỏ nhất: 79.38
Trung bình: 87.99
Lớn nhất: 101.2

Thời gian (s)

Hình 1.4 Sụt giảm điện áp do khởi động một động cơ lớn.
1.3.3.3. Tăng điện áp (Swells).
Tăng điện áp là hiện tượng điện áp ho c d ng điện tăng lên trong khoảng từ
110

đến 180

giá trị điện áp ho c d ng điện định mức ở tần số công nghiệp với

thời gian từ 0,5 chu k tới 1 phút.
Sự tăng điện áp được đ c trưng bởi biên độ và khoảng thời gian tồn tại.
Tăng áp có thể xuất hiện do sự tăng điện áp nhất thời trên các pha không sự cố
khi xảy ra sự cố chạm đất một pha. Ngoài ra, việc ngắt một phụ tải lớn ra khỏi hệ
thống cũng như là việc đóng các bộ tụ vào hệ thống cũng gây ra hiện tượng tăng điện
áp.
Hình 1.5 thể hiện sự tăng điện áp ở pha không sự cố khi xảy ra sự cố chạm đất

Điện áp (pu)

một pha trong lưới điện.

Thời gian

Hình 1.5 Tăng áp ở pha không bị (s)
sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha.

20


1.3.4. Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance)
Mất cân bằng điện áp là độ lệch cực đại của điện áp 3 pha so với giá trị trung
bình của điện áp, độ lệch đó chia cho giá trị trung bình của điện áp và biểu diễn theo
phần trăm.
Mất cân bằng điện áp cũng có thể xác định theo các thành phần đối xứng. Tỉ lệ
gi a thành phần thứ tự nghịch ho c thành phần thứ tự không với thành phần thứ tự

Độ mất cân bằng điện áp ( )

thuận có thể xác định rõ phần trăm mất cân bằng điện áp.

Thứ 2

Thứ 3

Thứ 4

Thứ 5

Thứ 6

Thứ 7 Chủ nhật

Thứ 2

Hình 1.6 Mất cân bằng điện áp trong một tuần
tại một nhánh cung cấp điện cho hộ gia đình.
1.3.5. Độ méo sóng (Waveform Distortion)
Độ méo dạng sóng là sự biến đổi trong trạng thái xác lập của một sóng hình
sin l tưởng ở tần số công nghiệp được đ c trưng bởi nội dung quang phổ của sự
biến đổi đó.
Có 5 hiện tượng c bản gây ra méo sóng:
+ Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset)
+ Sóng hài (Harmornics)

21


+ Đa hài (Interharmonics)
+ Đột điện áp (Notching)
+ Nhiễu (Noise)
1.3.5.1. Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset)
Điện áp và d ng điện một chiều tồn tại trong hệ thống điện xoay chiều gọi là
thành phần một chiều thêm vào (DC Offset). Thành phần một chiều có thể xuất hiện
do sự nhiễu loạn từ tính ho c từ các bộ chỉnh lưu một n a chu k . D ng điện một
chiều trong mạng điện xoay chiều mang lại kết quả xấu: làm bão hoà mạch từ máy
biến áp ngay cả trong hoạt động bình thường, gây thêm hiện tượng phát nóng dẫn
đến giảm tuổi thọ máy biến áp; d ng điện một chiều c n gây ra hiện tượng ăn m n
điện phân các điện cực nối đất và các thiết bị kết nối.
1.3.5.2. Sóng hài (Harmonics).
Sóng hài là các dạng d ng điện hay điện áp hình sin có tần số là bội số của tần
số c bản của hệ thống. Các dạng sóng méo có thể phân tích thành tổng của sóng
với tần số c bản và các sóng hài. Độ méo sóng hài sinh ra từ đ c tính phi tuyến của

các thiết bị và phụ tải trong hệ thống điện. Mức độ méo của sóng hài được mô tả
bởi quang phổ các sóng hài với độ lớn biên độ và góc pha của mỗi thành phần sóng
hài. Tổng độ méo sóng hài THD (Total Harmonics Distortion) thường được dùng để
xác định độ lớn biên độ méo sóng hài.
1.3.5.3. Liên sóng hài (Interharmonics).
Liên sóng hài là các sóng điện áp hay d ng điện có tần số không phải là bội số
của tần số c bản của hệ thống điện. Chúng có thể xuất hiện với các tần số riêng
biệt ho c cũng có thể là một dải tần số rộng.
Liên sóng hài có thể tìm thấy trên tất cả các lưới điện với các cấp điện áp khác
nhau. Nguồn gốc chủ yếu sinh ra méo liên sóng hài là các bộ biến đổi tần số tĩnh,
thiết bị chuyển đổi chu trình, động c cảm kháng, thiết bị phát hồ quang. Tín hiệu
sóng mang trên đường dây truyền tải cũng được xem là liên sóng hài.

22


1.3.5.4. Đột điện áp (Notching).
Đột điện áp là sự nhiễu loạn điện áp có chu k gây ra bởi hoạt động bình thường
của thiết bị điện t công suất khi d ng điện được chuyển mạch từ pha này sang pha
khác. Các đột điện áp xuất hiện khi đảo mạch d ng từ pha này sang pha khác. Trong
thời gian chuyển mạch, có hiện tượng ngắn mạch tạm thời xảy ra gi a hai pha. Hình
vẽ 1.7 chỉ ra ví dụ cho vết khắc điện áp hình V từ một bộ chỉnh lưu 3 pha sinh ra
d ng điện một chiều liên tục.

Hình 1.7 Hiện tượng đột điện áp.
1.3.5.5. Nhiễu (Noise).
Nhiễu là tín hiệu điện không mong muốn với các dải tần thấp h n 200 khz đối với
d ng điện và điện áp trong dây pha, dây trung tính hay dây tín hiệu.
Nhiễu trong hệ thống điện có thể gây ra bởi các thiết bị điện t công suất, các
mạch điều khiển, các thiết bị hồ quang, các tải với các bộ chỉnh lưu, đóng cắt các

nguồn điện. Nhiễu trong hệ thống điện thường là do sự nối đất không đúng.Về bản
chất, nhiễu bao gồm các méo của tín hiệu điện và chúng không thể phân loại như méo
sóng hài hay là quá độ. Nhiễu làm ảnh hưởng xấu đến các thiết bị điện t như bộ vi x
l và các chư ng trình điều khiển. Ta có thể làm giảm nhiễu nhờ s dụng bộ lọc, máy
biến áp cách ly, và điều kiện đối với dây dẫn điện.
1.3.6. Dao động điện áp (Voltage Fluctuation)
Dao động điện áp là sự biến đổi mang tính hệ thống của điện áp hay một chuỗi
thay đổi điện áp ngẫu nhiên. Độ lớn biên độ dao động điện áp thường không vượt

23


quá mức điện áp được xác định rõ từ 90

đến 110

điện áp định mức bởi ANSI

C84.1-1982.
L hồ quang điện xoay chiều là một nguyên nhân phổ biến nhất gây ra dao

Điện áp (V)

động điện áp trên hệ thống phân phối và truyền tải điện.

Thời gian (s)

Hình 1.8 Dao động điện áp do hồ quang điện.
1.3.7. Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variations)
Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variations) là độ lệch tần số

c bản của hệ thống khỏi giá trị định mức (VD: 50 Hz ho c 60Hz).
Tần số của hệ thống liên quan trực tiếp tới tốc độ quay của hệ thống máy phát
điện. Tần số sẽ biến thiên nhỏ khi có cân bằng động gi a sự thay đổi của tải và sự
thay đổi của nguồn phát. Mức độ thay đổi của tần số và khoảng thời gian của sự
thay đổi phụ thuộc vào đ c tính của tải và áp ứng của hệ thống điều khiển máy phát
tới sự thay đổi của phụ tải.
Tổng hợp các Các khái niệm được xét theo biên độ theo tiêu chuẩn IEEE 1159 biểu diễn trên Bảng 1.1 và Hình 1.9

24


Bảng 1.1 Phân nhóm và các đặc tính
của các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện
Nhóm
1. Quá độ
1.1 Xung
1.1.1 Nano giây
1.1.2 Micro giây
1.1.3 Mili giây
1.2 Dao động
1.2.1 Tần số thấp
1.2.2 Tần số trung bình
1.2.3 Tần số cao
2. Biến thiên ngắn hạn
2.1 Tức thời
2.1.1 Ngắt điện
2.1.2 Sụt áp(Sag)
2.1.3 Tăng áp (Swell)
2.2 Thoáng qua
2.2.1 Ngắt điện

2.2.2 Sụt áp
2.2.3 Tăng áp
2.3 Tạm thời
2.3.1 Ngắt điện
2.3.2 Sụt áp
2.3.3 Tăng áp
3. Biến thiên dài hạn
3.1 Ngắt điện duy trì
3.2 Điện áp thấp
3.3 Điện áp cao
4. Mất cân bằng điện áp
5. Méo dạng sóng
5.1 Thành phần một chiều
5.2 Sóng hài
5.3 Đa sóng hài
5.4 Notching
5.5 Noise
6. Dao động điện áp
7. Sự biến thiên tần số.

Phạm vi phổ
tần điển hình

Khoảng thời gian
điển hình

Độ lớn điện áp
điển hình

5 ns

1 s
0,1 ms

< 50 ns
50 ns – 1 ms
> 1 ms

< 5 kHz
5 – 500 kHz
0,5 – 5 MHz

0,3 – 50 ms
20 s
5 s

0 – 4 pu
0 – 8 pu
0 – 4 pu

0.5 – 30 chu k
0.5 – 30 chu k
0,5 – 30 chu k

< 0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,8 pu

30 chu k - 3 s
30 chu k - 3 s
30 chu k - 3 s

<0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,4 pu

3 s – 1 phút
3 s – 1 phút
3 s – 1 phút

< 0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,2 pu

> 1 phút
> 1 phút
> 1 phút
Trạng thái xác lập

0.0 pu
0.8 – 0.9 pu
1,1 – 1,2 pu
0,5 – 2 %

Trạng thái xác lập
Trạng thái xác lập
Trạng thái xác lập
Trạng thái xác lập
Trạng thái xác lập
0 – 1%
0,1 – 7%

< 10 s

0 – 6 kHz
Băng thông
< 25 Hz

25