Lựa chọn tần số cộng hưởng và hệ số chất lượng cho bộ lọc sóng hài thụ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN QUANG HẢI

LỰA CHỌN TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG VÀ HỆ SỐ CHẤT LƯỢNG
CHO BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Nguyễn Xuân Tùng

Hà Nội - 2014


MỤC LỤC
Chương mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... 3
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... 4
TÓM TẮT NỘI DUNG ............................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... 8
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ
SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .............................................................. 10
1.1

Phân loại chất lƣợng điện năng ................................................................... 10

1.2

Khái niệm về sóng hài ................................................................................. 12

1.3

Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện ....................................... 13

1.4

Nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện ............................................ 14

1.5

Ảnh hƣởng của sóng hài tới các thiết bị trong hệ thống điện ...................... 19

CHƢƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN....................................................................................................................... 22
2.1

Tổng quan về các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện .............. 22

2.2

Các bộ lọc sóng hài thụ động ...................................................................... 23

2.2.1

Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp ................................................................ 23

2.2.2

Bộ lọc thụ động kiểu song song ............................................................ 23

2.3

Các bộ lọc sóng hài tích cực ........................................................................ 24

2.3.1

Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu song song ........................................ 24

2.3.2

Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu nối tiếp ............................................ 25

2.4

Các bộ lọc hỗn hợp (kiểu lai ghép) .............................................................. 26

2.5

So sánh giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động ....................................... 26

2.6

Các loại bộ lọc thụ động phổ biến ............................................................... 27
1

2.7

Hƣớng nghiên cứu của luận văn .................................................................. 32

CHƢƠNG 3 LỰA CHỌN HỆ SỐ CHẤT LƢỢNG VÀ TẦN SỐ CỘNG HƢỞNG
CHO BỘ LỌC CỘNG HƢỞNG ĐƠN .................................................................. 33
3.1

Qui trình tính toán thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hƣởng đơn ............. 33

3.2

Phân tích về hệ số chất lƣợng Q cho bộ lọc cộng hƣởng đơn ..................... 37

3.3

Phân tích về tần số cộng hƣởng cho bộ lọc cộng hƣởng đơn ...................... 39

3.3.1

Lý do không nên chọn tần số cộng hƣởng bằng tần số sóng hài .......... 39

3.3.2

Các yếu tố gây ra hiện tƣợng dịch chuyển tần số cộng hƣởng ............. 41

3.4

Phân tích, tính toán lựa chọn hệ số chất lƣợng Q và tần số cộng hƣởng cho

bộ lọc cộng hƣởng đơn .......................................................................................... 42
3.4.1

Giới thiệu chung ................................................................................... 42

3.4.2

Xác định hệ số hiệu chỉnh tần số cộng hƣởng  ................................... 43

3.4.3

Xác định hệ số chất lƣợng Q................................................................. 47

CHƢƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ KIỂM CHỨNG ................. 50
4.1

Các thông số đầu vào ................................................................................... 50

4.1.1

Đặt vấn đề ............................................................................................. 50

4.1.2

Giới thiệu sơ lƣợc về phần mềm PSCAD ............................................. 50

4.1.3

Sơ đồ lƣới điện cần lắp đặt thiết bị lọc sóng hài ................................... 52

4.2

Chi tiết tính toán thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hƣởng đơn ................ 53

4.3

Kết quả chạy mô phỏng với các tham số của bộ lọc đã tính ....................... 55

4.3.1

Đánh giá khả năng lọc của bộ lọc ......................................................... 56

4.3.2

Đánh giá khả năng nâng cao hệ số công suất của bộ lọc ...................... 58

CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG LAI 59
5.1

Kết luận........................................................................................................ 59

5.2

Hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .............................................................. 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 61

2

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

Trần Quang Hải

3


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn nhiệt tình của TS. Nguyễn Xuân
Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trƣờng đại học Bách khoa Hà
Nội - Ngƣời chịu trách nhiệm hƣớng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Từ đáy lòng mình, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô đã tham gia
giảng dạy trong khóa học, các thầy cô tại Viện Điện, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
giúp tôi hoàn thành khóa học này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và
Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập tại trƣờng.
Lời cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn sự động viên của gia đình, bạn bè,
những ngƣời đã tạo điều kiện rất nhiều cho tôi trong suốt chặng đƣờng học tập đã
qua.
Trần Quang Hải

4

TÓM TẮT NỘI DUNG
Một trong những vấn đề về chất lƣợng điện năng phổ biến trong hệ thống điện là
sóng hài và sụt áp ngắn hạn. Sóng hài đƣợc sinh ra và lan truyền trong hệ thống do
việc sử dụng các tải phi tuyến, các thiết bị điện tử công suất nhƣ: máy biến áp, máy
điện quay; các thiết bị hồ quang và phóng điện (lò hồ quang điện, đèn phóng điện);
các thiết bị điện tử công suất (các bộ nghịch lƣu, biến tần)…
Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây nhiều vấn đề đối với các thiết bị có lõi
từ nhƣ gây phát nóng quá mức, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá tải
dây trung tính và nhiều vấn đề khác cho các thiết bị điều khiển. Giải pháp loại trừ
sóng hài trong hệ thống điện có thể chia ra ba nhánh chính: sử dụng bộ lọc thụ
động; sử dung bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép giữa hai dạng này. Bộ lọc tích cực
và bộ lọc lai ghép có khả năng loại trừ hầu hết các sóng hài phát sinh, tuy nhiên giá
thành các thiết bị này có rất đắt và chi phí bảo dƣỡng, tuổi thọ thiết bị vẫn còn là
vấn đề cần xem xét.
Luận văn đi sâu phân tích về việc sử dụng thiết bị lọc sóng hài thụ động (gồm
các thành phần R, L, C) để loại trừ các sóng hài cơ bản trong hệ thống điện. Trong
quá trình tính toán thiết kế bộ lọc loại này cần quan tâm đến các yếu tố kỹ thuật đó
là hệ số cộng hƣởng của bộ lọc và hệ số chất lƣợng của bộ lọc. Nếu các hệ số này
đƣợc lựa chọn không hợp lý có thể làm giảm hiệu quả của bộ lọc và có thể gây cộng
hƣởng trong lƣới điện. Thông thƣờng các hệ số này đƣợc chọn theo kinh nghiệm,
tuy nhiên luận văn sẽ đề xuất phƣơng pháp lựa chọn dựa trên các phân tích kỹ thuật
chi tiết.
Về mặt cấu trúc luận văn đƣợc chia ra thành 5 chƣơng
 Chương 1:Giới thiệu chung về chất lƣợng điện năng, tập trung vào phần
sóng hài. Các nguyên nhân gây ra sóng hài, ảnh hƣởng của sóng hài tới hệ
thống và các thiết bị cũng đƣợc trình bày trong chƣơng này.

5

 Chương 2: Giới thiệu các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện.
Chƣơng này sẽ đi sâu phân tích ƣu nhƣợc điểm của các giải pháp sử dụng
thiết bị lọc thụ động và chủ động. Với các thiết bị lọc thụ động, luận văn sẽ
giới thiệu cấu trúc và các loại bộ lọc thụ động phổ biến, đặc tính làm việc của
các bộ lọc này. Qui trình tính toán thiết kế bộ lọc thụ động cũng đƣợc giới
thiệu trong chƣơng này, để từ đó làm rõ nhu cầu cần lựa chọn đúng các hệ số
cộng hƣởng và hệ số chất lƣợng cho bộ lọc.
 Chương 3:Phân tích chi tiết cách thức lựa chọn, tính toán các tham số của bộ
lọc thụ động, tập trung vào hệ số cộng hƣởng và hệ số chất lƣợng.
 Chương 4:Áp dụng tính toán thiết kế một bộ lọc dựa theo các kết quả nghiên
cứu.
Chƣơng này sẽ áp dụng tính toán một bộ lọc thực tế dựa theo số liệu của một
xuất tuyến mô phỏng. Hiệu quả làm việc của bộ lọc đƣợc kiểm nghiệm thông
qua mô phỏng bằng phần mềm PSCAD.
 Chương 5:Kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng biểuTrang
Bảng 1.1.1 Phân loại các hiện tƣợng liên quan đến chất lƣợng điện áp theo tiêu
chuẩn IEEE 1159 - 1995 ........................................................................................... 10
Bảng 1.3.1 Tiêu chuẩn điện áp theo Thông tƣ 12 và 32 ........................................... 14
Bảng 1.4.1 Dạng sóng dòng điện, phổ tầnvà tổng độ méo sóng hài của một số tải phi
tuyến khác ................................................................................................................. 18
Bảng 2.1.1 Phổ tần của dòng điện khi sử dụng chỉnh lƣu 6 và 12 xung ................... 22
Bảng 3.4.1 Sai số cho phép của các phần tử hợp thànhchế tạo bộ lọc ...................... 46

Bảng 3.4.2 Hệ số hiệu chỉnh ứng với các dung sai của các phần tử ......................... 46
Bảng 3.4.3 Tần số cộng hƣởng của bộ lọc ứng với các sóng hài khác nhau ............ 46

7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Trang

Hình 1.2.1 Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng ........................................... 12
Hình 1.2.2 Sóng méo dạng và phân tích Furier tƣơng ứng ....................................... 13
Hình 1.4.1 Điện áp sin qua tải phi tuyến tạo ra dòng điện không sin ....................... 15
Hình 1.4.2 Sóng hài sinh ra do hiện tƣợng bão hòa mạch từ máy biến áp ............... 16
Hình 1.4.3 Dạng sóng và phổ dòng pha A khi máy biến áp hoạt động trong điều
kiện quá áp 10% điện áp định mức ........................................................................... 16
Hình 1.4.4 Dòng điện của máy lạnh với THD=6,3% ............................................... 17
Hình 1.4.5 Dòng điện của điều hòa với THD=10,5% ............................................... 17
Hình 1.4.6 Dạng sóng điện áp & dòng pha A của bộ chỉnh lƣu ............................... 18
Hình 2.1.1 Mạch chỉnh lƣu có sử dụng cuộn kháng điều hòa .................................. 22
Hình 2.2.1 Bộ lọc thụ động nối tiếp .......................................................................... 23
Hình 2.2.2 Bộ lọc thụ động song song ...................................................................... 24
Hình 2.3.1 Bộ lọc tích cực bù ngang ......................................................................... 25
Hình 2.3.2 Bộ lọc tích cực bù dọc ............................................................................. 25
Hình 2.4.1 Bộ lọc hỗn hợp thông dụng ..................................................................... 26
Hình 2.6.1 Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến ..................................... 28
Hình 2.6.2 Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hƣởng đơn ...................... 29
Hình 2.6.3 Đặc tính tổng trở của các loại bộ lọc thụ động phổ biến ........................ 31
Hình 3.1.1 Sơ đồ khối quá trình tính toán bộ lọc cộng hƣởng đơn ........................... 37

Hình 3.2.1 Bộ lọc cộng hƣởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số ........................ 38
Hình 3.2.2 Đặc tính tổng trở của bộ lọc với các hệ số chất lƣợng khác nhau .......... 39
Hình 3.3.1 Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến ............................ 40
Hình 3.3.2 Các tần số cộng hƣởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống ... 41
Hình 3.4.1 Sơ đồ thay thế của bộ lọc, tải phi tuyến trong hệ thống .......................... 48
Hình 4.1.1 Sơ đồ lƣới điện cần tính toán lắp đặt bộ lọc sóng hài ............................. 52
8


Hình 4.1.2 Phổ tần của dòng điện trƣớc khi lắp bộ lọc ............................................. 52
Hình 4.3.1 Đặc tính tổng trở của bộ lọc theo tần số .................................................... 56
Hình 4.3.2 Phổ tần dòng điện trƣớc khi có bộ lọc........................................................ 57
Hình 4.3.3 Phổ tần dòng điện sau khi có bộ lọc bậc 5 đƣợc lắp đặt .......................... 57
Hình 4.3.4 Hệ số công suất trƣớc và sau khi lắp đặt bộ lọc sóng hài bậc ............... 58

9


CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ
SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1 Phân loại chất lượng điện năng
Từ thế kỷ XX ngƣời ta đã nghiên cứu và đƣa ra các khái niệm về "chất lƣợng
điện năng ", nó đã trở thành một khái niệm gây tranh cãi và cho đến ngày nay thì
còn nhiều bất đồng về việc sử dụng khái niệm này, về cách định nghĩa và áp dụng
nó thế nào cho chính xác. Trong nhiều tài liệu của châu Âu và Mỹ, "chất lƣợng điện
năng" đƣợc hiểu là chất lƣợng của sản phẩm điện đƣợc nhà cung cấp phân phối cho
các hộ sử dụng.
Có thể phân loại các vấn đề của chất lƣợng điện năng một cách sơ bộ bao gồm:
 Mất cân bằng dòng điện &điện áp
 Sụt giảm điện áp, mất điện áp

 Chớp nháy điện áp
 Quá độ điện áp
 Sóng hài
Theo tiêu chuẩn IEEE 1159 - 1995, các hiện tƣợng chất lƣợng điện năng có thể
đƣợc phân loại nhƣ sau:
Bảng 1.1.1Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn
IEEE 1159 - 1995
Thời gian tồn
Loại
Dải tần
Biên độ
tại
1. Quá độ
1.1.

Quá độ xung

1.1.1. Nanosecond

< 50 ns

1.1.2. Microsecond

50 ns – 1 ms

1.1.3. Milisecond

> 1 ms
10

1.2.

Quá độ dao động

1.2.1. Tần số thấp

< 5 kHz

0,3 – 50 ms

0 – 4 pu

1.2.2. Tần số trung bình

5 – 500 kHz

20 micro giây

0 – 8 pu

1.2.3. Tần số cao

0,5 – 6 MHz

5 micro giây

0 – 4 pu

2.1.1. Gián đoạn

0,5 – 30 chu kỳ

< 0,1 pu

2.1.2. Giảm

0,5 – 30 chu kỳ

0,1 – 0,9
pu

2.1.3. Tăng

0,5 – 30 chu kỳ

1,1 – 1,8
pu

2.2.1. Gián đoạn

30 chu kỳ - 3 s

< 0,1 pu

2.2.2. Giảm

30 chu kỳ - 3 s

0,1 – 0,9

pu

2.2.3. Tăng

30 chu kỳ - 3 s

1,1 – 1,4
pu

2.3.1. Gián đoạn

3 sec – 1 min

< 0,1 pu

2.3.2. Giảm

3 sec – 1 min

0,1 – 0,9
pu

2.3.3. Tăng

3 sec – 1 min

1,1 – 1,2
pu

2. Biến đổi ngắn hạn

2.1.

2.2.

2.3.

Biến đổi tức thời

Biến đổi chốc lát

Biến đổi tạm thời

3. Biến đổi dài hạn
3.1.

Gián đoạn duy trì

> 1 min

0 pu

3.2.

Kém điện áp

> 1 min

0,8 – 0,9
pu

3.3.

Quá điện áp

> 1 min

1,1 – 1,2
pu

Trạng thái ổn
định

0,5 – 2%

Trạng thái ổn
định

0 – 0,1%

4. Điện áp không cân bằng
5. Biến dạng sóng điện áp
5.1.

Thành phần 1 chiều

11


5.2.

Hài bậc cao (Harmonics)

Trạng thái ổn
định

0 – 20%

5.3.

Hài đa tần
(Interharmonics)

Trạng thái ổn
định

0 – 2%

5.4.

Các xung nhọn xuất hiện
chu kỳ (Notching)

Trạng thái ổn
định

5.5.

Do các thành phần khác
(Noise)

Trạng thái ổn
định

0 – 1%

Không liên tục

0,1 – 7%

6. Dao động điện áp

< 25 Hz

7. Biến đổi tần số

< 10 sec

1.2 Khái niệm về sóng hài
Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn, xuất hiện dƣới dạng các dòng
điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thƣờng
đƣợc gọi là tần số sóng cơ bản). Các dòng điện, điện áp bị méo có thể đƣợc phân
tích thành tổng của sóng có tần số cơ bản và các thành phần sóng hài. Các thành
phần sóng hài này do các tải phi tuyến sinh ra.
Công cụ toán học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là
phân tích Fourier. Phƣơng pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có
chu kỳ (không sin) thì có thể phân tích đƣợc thành tổng của các dạng sóng điều hòa
hình sin, chúng bao gồm:
 Sóng hình sin với tần số cơ bản
 Các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, là bội của tần số cơ bản.

Hình 1.2.1 Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng
12


Trong trƣờng hợp lý tƣởng, tất cả những sóng điện áp và dòng điện trong hệ thống
điện có dạng hình sin với tần số là tần số cơ bản.Tuy nhiên, điện áp và dòng điện
thực tế trong hệ thống điện không thuần túy hình sin.Khi đó, sóng điện áp và dòng
điện là tổng của sóng điều hòa cơ bản và các sóng điều hòa có bậc là bội số của
sóng cơ bản.
Dạng sóng méo ở hình dƣới đây đƣợc phân tích thành một thành phần sóng cơ bản
và thành phần sóng hài bậc 3, bậc 5. (Hình 1.2.2)

Hình 1.2.2Sóng méo dạng và phân tích Furier tương ứng

1.3 Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện
Thƣờng dùng khái niệm tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (dòng điện) (THDV,
THDi) là tỷ lệ của giá trị điện áp (dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu
dụng của điện áp (dòng điện) cơ bản, biểu diễn bằng đơn vị phần trăm (%) để đánh
giá mức độ biến dạng sóng hài:
Tổng biến dạng sóng hài theo điện áp:
√∑
Tổng biến dạng sóng hài theo dòng điện:

13


√∑
Trong đó:
 THDv, THDi: là tổng biến dạng sóng hài điện áp, dòng điện;
 Vi, Ii: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại sóng hài bậc i, i

= 2, 3…
 V1, I1: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại tần số cơ bản
(50Hz)
Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không đƣợc vƣợt quá giới
hạn, qui định tại các Thông tƣ số 12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng 4 năm
2010 và Thông tƣ số 32/2010/TT-BCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm 2010 nhƣ
sau(Bảng 1.3.1):
Bảng 1.3.1Tiêu chuẩn điện áp theo Thông tư 12 và 32
Cấp điện áp
Tổng biến dạng sóng hài
Biến dạng riêng lẻ
500kV, 220kV

3%

-

110kV

3%

1,5%

Trung và hạ áp

6,5%

3%

1.4 Nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện

Sóng hài đƣợc phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, phần lớn đƣợc sinh ra do
các tải phi tuyến hoặc do các thiết bị điện tử công suất khi hoạt động gây ra.
Khi đặt một điện áp hình sin chuẩn vào tải phi tuyến thì dòng điện sinh ra sẽ có
dạng sóng bị méo (Hình 1.4.1).

14


Hình 1.4.1Điện áp sin qua tải phi tuyến tạo ra dòng điện không sin

Thành phần dòng không cơ bản gây nên các thành phần sụt áp U không cơ bản
làm cho sụt áp tổng U bị méo. Do đó, mặc dù điện áp nguồn là sin nhƣng điện áp
tại điểm đấu nối chung của các thiết bị sẽ bị méo.
Unguồn(sin)-ΔU(không sin) = Uthanh cái (không sin)
Nếu nhƣ có các thiệt bị khác đấu nối cùng thanh cái thì sẽ phải chịu điện áp không
sin đặt vào. Vì vậy cần loại bỏ thành phần hài không cơ bản do thiết bị phi tuyến
sinh ra.
Một số nguồn phát sinh sóng hài thƣờng gặp trong hệ thống điện:
 Các máy biến áp: hiện tƣợng bão hòa mạch từ là một nguyên nhân gây ra sóng
hài. Khi biên độ điện áp từ thông đủ lớn (hiện tƣợng quá từ thông) để rơi vào
vùng không tuyến tính trên đƣờng cong B-H của mạch từ sẽ dẫn đến dòng điện
bị méo dạng và chứa thành phần sóng hài mặc dù sóng điện áp đặt vào vẫn là
hình sin. Hình 1.4.2mô tả hiện tƣợng này.

15


B(V)
Đƣờng cong từ hóa

Cảm ứng từ B

H(I)
Thành phần hài bậc ba

Thành phần cơ bản

Hình 1.4.2Sóng hài sinh ra do hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến áp

Hình 1.4.3mô tả dạng sóng dòng điện pha A của máy biến áp khi lõi từ bị quá kích
thích.

Hình 1.4.3Dạng sóng và phổ dòng pha A khi máy biến áp hoạt động trong điều kiện quá áp
10% điện áp định mức

 Động cơ: tƣơng tự máy biến áp, động cơ cũng có lõi từ và khi hoạt động cũng có
thể sinh ra các thành phần sóng hài, tuy nhiên chủ yếu là hài bậc 3. Hình 1.4.4
và Hình 1.4.5cho thấy dạng sóng bị méo của một số thiết bị dân dụng có sử dụng
động cơ (máy lạnh, điều hòa...)

16


A

Hình 1.4.4Dòng điện của máy lạnh với THD=6,3%

A

Hình 1.4.5Dòng điện của điều hòa với THD=10,5%

 Thiết bị điện tử công suất:thiết bị điện tử công suất có sử dụng bộ chỉnh lƣu đầu
vào, thiết bị chỉnh lƣu này chính là nguồn gây phát sóng hài. Mặt khác các van
công suất khi đóng/cắt cũng có thể gây ra nhiễu, hài với tần số cao. Thiết bị điện
tử công suất sử dụng phổ biến trong các thiết bị công nghiệp, gia dụng nhƣ: máy
tính, bộ điều tốc động cơ, đèn huỳnh quang, bộ lƣu điện UPS....Các thiết bị này
tạo ra dòng điện méo dạng rất lớn tùy thuộc vào công suất định mức. Hình 1.4.6
mô tả sóng điện áp và dòng điện của một số chỉnh lƣu cơ bản. Bảng 1.4.1 mô tả
phổ tần và tổng độ méo sóng hài của một số tải phi tuyến khác.

17


(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 1.4.6Dạng sóng điện áp & dòng pha A của bộ chỉnh lưu
Bảng 1.4.1Dạng sóng dòng điện, phổ tầnvà tổng độ méo sóng hài của một
số tải phi tuyến khác

18


1.5 Ảnh hưởng của sóng hài tới các thiết bị trong hệ thống điện
Ảnh hƣởng của sóng hài trong hệ thống điện thể hiện trên nhiều thiết bị, tuy nhiên

việc xác định chính xác mức độ ảnh hƣởng vẫn còn là vấn đề cần có các nghiên cứu
chuyên sâu. Những tác hại của sóng hài gây ra có thể gây ảnh hƣởng trực tiếp, tuy
nhiên cũng có thể gây ảnh hƣởng gián tiếp qua một thời gian dài.
 Làm méo hệ thống điện áp: điện áp nguồn phát ra là dạng sóng sin (mức độ méo
sóng rất nhỏ, hoàn toàn có thể bỏ qua), tuy nhiên khi xuất hiện phụ tải phi tuyến
kèm theo dòng điện không sin sẽ gây ra sụt áp không sin trên đƣờng dây. Sụt áp
không sin gây ra điện áp tại thanh cái tổng chung bị méo sóng và sẽ ảnh hƣởng
đến các thiết bị khác đang nhận điện từ thanh cái chung này.
 Làm xấu hệ số công suất: càng nhiều thành phần sóng điều hòa thêm vào cùng
với thành phần cơ bản, thì giá trị dòng điện hiệu dụng tổng sẽ tăng lên, vì vậy sẽ
ảnh hƣởng tới hệ số công suất của mạch. Hệ số công suất cos, đƣợc tính nhƣ
sau (cho thành phần cơ bản của dòng và áp):

Sự dịch pha giữa điện áp và dòng điện gây ra sự khác nhau về giá trị hệ số công
suất. Vì dòng điện chỉ có thể sớm hoặc trễ pha so với điện áp từ 0 tới 90 độ, hệ số
công suất sẽ luôn dƣơng và nhỏ hơn hoặc bằng 1. Trong trƣờng hợp sóng dòng điện
không phải hình sin và điện áp là sóng sin. Công suất đƣợc tính bằng cách lấy tích
phân của tích dòng điện và điện áp theo thời gian.Vì điện áp chỉ gồm thành phần tần
số bậc một, nên công suất sẽ bao gồm một dãy các số hạng là tích của điện áp với
từng thành phần dòng hài.Số hạng đầu tiên của dãy là tích của điện áp và thành
phần cơ bản của dòng điện. Hiển nhiên số hạng này luôn dƣơng nó là công suất
thực đƣợc đƣa tới tải. Những số hạng còn lại bao gồm tích của điện áp tần số cơ bản
và một thành phần dòng hài bậc cao hơn. Tích của sóng sin với tần số khác nhau tạo
ra một sóng hình sin mà có giá trị trung bình trong chu kỳ bằng không. Vì thế
19


không một dòng hài bậc cao hơn nào tạo ra công suất thực nếu điện áp chỉ bao gồm
thành phần cơ bản. Hệ số công suất tổng hay hệ số công suất thực:

√

(

)

√

(

)

Thành phần thứ hai trong tích trên là hệ số công suất méo gây bởi thành phần
sóng hài. Nhận thấy thành phần này luôn nhỏ hơn 1 nên hệ số công suất khi có
sóng hài bị giảm đi.
 Gây thêm phát nóng: Do ảnh hƣởng của hiệu ứng mặt ngoài, làm cho vật dẫn bị
làm nóng nhanh chóng khi tần số dòng điện tăng. Nếu trong điều kiện tồn tại
sóng hài với trị số lớn, thiết bị vẫn có thể bị quá nhiệt ngay cả khi mang dòng
định mức và làm cho tổn hao công suất cũng tăng lên.
 Tổn hao từ trễ tỉ lệ với tần số và dòng fu-cô tỉ lệ với bình phƣơng tần số nên
dòng điều hòa cũng gây tăng tổn thất trong cuộn dây và mạch từ của máy biến
áp. Cũng giống nhƣ máy biến áp sóng hài gây ra thêm tổn hao từ trƣờng trong
lõi thép của động cơ. Dòng hài cũng gây nên tổn hao trong cuộn dây động cơ.
Một ảnh hƣởng khác nghiêm trọng hơn là sự dao động mômen vì sóng hài. Hai
trong số những sóng hài thƣờng gặp trên lƣới điện là hài bậc năm và bậc bảy.
Sóng hài bậc năm là sóng hài thứ tự nghịch, dẫn tới từ trƣờng quay ngƣợc chiều
với từ trƣờng cơ bản với tốc độ bằng năm lần tốc độ cơ bản. Hài bậc bẩy là hài
thứ tự thuận, từ trƣờng quay cùng hƣớng từ trƣờng cơ bản với tốc độ bằng bẩy
lần cơ bản. Từ đó dẫn tới sự tƣơng tác từ trƣờng và dòng điện cảm ứng trên rotor
tạo ra sự dao động của trục động cơ.

 Ảnh hƣởng tới thiết bị bảo vệ rơle và đo đếm: sự xuất hiện thành phần sóng hài
làm cho thiết bị bảo vệ tác động sai hoặc không tác động khi có sự cố. Tùy từng
điều kiện rơle có thể tác động trƣớc hoặc chậm hơn so với yêu cầu hoặc định vị
sai vị trí điểm sự cố (ảnh hƣởng nhiều nhất đến các rơle tĩnh và rơle cơ, rơle số

20


thƣờng đƣợc trang bị các bộ lọc rất tốt nên ít bị ảnh hƣởng), điều này có thể gây
ra những tác động xấu đến cả hệ thống.
 Các thiết bị đo đếm cũng bị ảnh hƣởng, tuy nhiên rất khó để xác định sai số gây
ra là âm hay dƣơng. Sai số này phụ thuộc không những vào tần số sóng hài có
trong đại lƣợng cần đo mà còn cả vào góc pha của sóng hài, do đó rất khó tổ hợp
hết các trƣờng hợp có thể xảy ra để tiến hành thí nghiệm kiểm chứng.
 Gây nhiễu: Đối với các thiết bị đo, hệ thống máy tính, các thiết truyền thông, kĩ
thuật số, y tế đòi hỏi chất lƣợng điện áp cao, sự xuất hiện của sóng hài có thể
làm chúng hoạt động không chính xác. Với đƣờng dây tải điện có tồn tại sóng
điều hòa sẽ phát ra những sóng điện từ ra môi trƣờng xung quanh. Những thiết
bị đặt gần sẽ bị những sóng điện từ gây nhiễu. Các thiết bị điều khiển hoạt động
dựa trên việc xác định thời điểm dòng áp qua điểm không có thể làm việc sai do
trong một chu kỳ có thể xuất hiện nhiều thời điểm tín hiệu qua điểm không này.
 Quá tải các bộ tụ bù: tổng trở của các bộ tụ phụ thuộc vào tần số vận hành, tần
số càng cao thì tổng trở càng giảm thấp. Do vậy, với các sóng hài thì bộ tụ có thể
trở thành nơi hút sóng hài và có thể bị quá tải, quá nhiệt (nhất là với các bộ tụ
khô).
Bên cạnh đó, tại các tần số của sóng hài, có thể xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng
giữa bộ tụ và trở kháng của hệ thống, có thể gây nên các dao động mạnh của
điện áp và dòng điện.

21

CHƯƠNG 2CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
2.1 Tổng quan về các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện
Có nhiều biện pháp đã đƣợc đề xuất và thực hiện để loại bỏ ảnh hƣởng của
sóng hài trong hệ thống điện, các biện pháp đó có thể liệt kê sơ bộ nhƣ sau:
 Sử dụng các bộ chỉnh lƣu loại nhiều xung (12 xung, 24 xung, 48 xung)
Bảng 2.1.1 thể hiện phổ tần của dòng điện của chỉnh lƣu 6 và 12 xung, có thể
thấy rằng thành phần hài giảm đáng kể khi sử dụng cầu chỉnh lƣu 12 xung hoặc
cao hơn.
Bảng 2.1.1Phổ tần của dòng điện khi sử dụng chỉnh lưu 6 và 12 xung

 Sử dụng các cuộn kháng nối tiếp với mạch chỉnh lƣu, nghịch lƣu để điều hòa
dòng điện
Hình 2.1.1 cho thấy khi thay đổi giá trị của cuộn kháng điều hòa có thể giảm
đƣợc độ méo dạng sóng dòng điện một cách đáng kể.

LIN
u=Usint

IIN

IIN

t

Hình 2.1.1 Mạch chỉnh lưu có sử dụng cuộn kháng điều hòa

22

 Sử dụng các máy biến áp với tổ đấu dây tam giác để loại bỏ các thành phần hài
tƣơng tự với thành phần thứ tự không trong hệ thống điện (các thành phần hài
bậc 3n nhƣ 3, bậc 6, bậc 9...)
 Sử dụng các bộ lọc sóng hài: đây là giải pháp thƣờng đƣợc sử dụng phổ biến
nhất tại các phụ tải
Các bộ lọc sóng hài có thể chia ra là bộ lọc sóng hài thụ động và lọc sóng hài
chủ động, bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép.
2.2 Các bộ lọc sóng hài thụ động
Các bộ lọc sóng hài thụ động đƣợc cấu thành từ các bộ tụ và kháng với trị số thích
hợp để tạo ra mạch cộng hƣởng tại tần số hài mong muốn. Có thể phân loại bộ lọc
thụ động theo phƣơng thức kết nối vào lƣới nhƣ bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp và
song song.
2.2.1 Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp
Cấu hình đơn giản của bộ lọc thụ động bù dọc nhƣ Hình 2.2.1
Nguồn
HT

L
C

Tải phi
tuyến

Bộ lọc

Hình 2.2.1Bộ lọc thụ động nối tiếp

Bộ lọc thụ động LC đƣợc thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hƣởng dao động điện từ.

Bộ lọc đƣợc thiết kế chỉ cho thành phần sóng cơ bản đi qua còn các thành phần
sóng hài khác sẽ bị chặn lại.
Ứng dụng lớn nhất của bộ lọc này làm bộ lọc sóng cao tần trong kênh thông tin tải
ba, sử dụng dây điện truyền tin.
2.2.2 Bộ lọc thụ động kiểu song song
Cấu hình bộ lọc thụ động bù ngang nhƣ Hình 2.2.2

23


Tải

Thanh cái tổng
Nguồn
HT

Tải phi
tuyến
L

Ih

C
Bộ lọc

Hình 2.2.2Bộ lọc thụ động song song

Bộ lọc thụ động LC bù ngang đƣợc thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hƣởng. Bộ lọc
đƣợc điều chỉnh cộng hƣởng với một tần số nào đó khi đó bộ lọc sẽ trở thành đƣờng
dẫn trở kháng thấp cho những sóng hài nhất định.Thông thƣờng trong hệ thống hay

sử dụng các loại bộ lọc sóng hài bậc 5 và bậc 7. Các bộ lọc sóng hài bậc 3 là không
cần thiết vì thành phần này có tính chất tƣơng tự thành phần thứ tự không do đó sẽ
bị chặn lại bởi các cuộn đấu tam giác trong máy biến áp, các hài bậc cao hơn bậc 7
thƣờng có biên độ nhỏ, do đó nếu không cần thiết thì có thể không cần đặt bộ lọc.
2.3 Các bộ lọc sóng hài tích cực
Sử dụng các thiết bị điện tử công suất có điều khiển để bù các điều hòa dòng điện,
điện áp nhằm đạt đƣợc dạng sóng dòng điện và điện áp tải theo yêu cầu
2.3.1 Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu song song
Cấu hình đơn giản của bộ lọc tích cực bù ngang nhƣ Hình 2.3.1

24