Phân tích đáp ứng của bộ lọc ba pha trong việc giảm hài dòng điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN VIỆT NINH

PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA BỘ LỌC BA PHA
TRONG VIỆC GIẢM HÀI DÒNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN VĂN THỊNH

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân mình
dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Văn Thịnh, cùng với các tài liệu đã được trích dẫn
trong phần tài liệu tham khảo ở phần cuối bản luận văn. Các kết quả nghiên cứu
trong luận văn chưa được công bố.
Hà Nội, ngày 18 tháng 8 năm 2014
Học viên

Trần Việt Ninh


MỤC LỤC
Lời cam đoan............................................................................................... .............1
Mục lục……...............................................................................................................2
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt...................................................................4

Danh mục các bảng.......................................... ........................................................5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị...................................................................................6
Lời mở đầu……………………...............................................................................10
Chương 1. Tổng quan về chất lượng điện năng và các điều hòa bậc cao..........12
1.1. Chất lượng điện năng........................................................................................12
1.2. Các hiện tượng trên lưới điện……..………….……………….........................13
1.2.1. Quá độ……..……….…………………...............................................13
1.2.2. Các biến thiên điện áp ngắn hạn…………..........................................15
1.2.3. Các biến thiên điện áp duy trì….……….............................................16
1.2.4. Biến dạng sóng.....................................................................................17
1.2.5. Dao động điện áp.................................................................................18
1.2.6. Dao động tần số...................................................................................18
1.2.7. Mất đối xứng........................................................................................18
1.3. Tổng quan về sóng hài và các chỉ số đánh giá...................................................19
1.3.1. Sóng hài và phân tích sóng hài............................................................19
1.3.2. Các chỉ số đánh giá..............................................................................21
1.3.3. Các tiêu chuẩn kỹ thuật về sóng hài.....................................................21
1.3.3.1 Giới hạn sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE 519-1992…............22
1.3.3.2 Giới hạn sóng hài theo tiêu chuẩn IEC…...............................23
1.3.4. Nguồn phát sinh sóng hài.....................................................................24
1.3.4.1 Các thiết bị có hiện tượng bão hòa mạch từ……...….............24
1.3.4.2 Các thiết bị hồ quang và phóng điện………...........................25
1.3.4.3 Các thiết bị điện tử công suất……………..............................26
1.3.5. Tác động của sóng hài..........................................................................36
1.4. Kết luận.............................................................................................................38
Chương 2. Các biện pháp hạn chế sóng hài…………………..............................39
2.1. Các biện pháp hạn chế sóng hài........................................................................39
2.1.1. Hạn chế công suất các tải phi tuyến….................................................39
2.1.2. Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào phi tuyến................39
2.1.3. Phương pháp đa xung……………...…................................................41

2.1.4. Dùng các bộ lọc……………………...................................................43
2.1.4.1 Bộ lọc thụ động…………………...........................................44
2.1.4.2 Bộ lọc tích cực..…………………..........................................49
2.1.4.3 Các biện pháp khắc phục hài thứ tự không............................54
2.2. Kết luận………………………........................................................................56
Chương 3. Bộ lọc tích cực……………..………………........................................57
3.1. Khái quát chung về nghịch lưu PWM.…….………………............................57
3.1.1. Phân loại theo bộ biến đổi công suất…...............................................57
3.1.2. Cấu trúc điều khiển………………...…...............................................59


3.2. Ứng dụng nghịch lưu PWM để làm bộ lọc tích cực…….…............................60
3.2.1. Các phương pháp dựa trên miền tần số................................................60
3.2.2. Các phương pháp dựa trên miền thời gian...........................................61
3.3. Cấu trúc mạch lọc sóng điều hòa dùng nghịch lưu PWM.................................66
3.3.1. Nguyên lý điều khiển………………...................................................66
3.3.2. Nguyên lý điều khiển dòng theo dòng điện chuẩn………...................78
3.4. Kết luận……………………….........................................................................70
Chương 4. Phân tích đáp ứng của bộ lọc 3 pha trong việc giảm hài dòng điện71
4.1. Mô hình mạch lọc 3 pha thụ động trên matlab……...……..............................71
4.1.1. Giới thiệu…………………………..…...............................................71
4.1.2. Mô tả sơ đồ mạch điện……………..…...............................................71
4.1.2.1 Nguồn 3 pha…..…………………..........................................71
4.1.2.2 Tải 3 pha……...…………………..........................................71
4.1.2.3 Bộ lọc 3 pha…..…………………..........................................72
4.1.3. Phân tích các đáp ứng mạch lọc trong việc giảm hài dòng..................73
4.1.3.1 Khi ngắt bộ lọc ra khỏi mạch điện..........................................73
4.1.3.2 Khi mạch điện có bộ lọc thụ động..........................................77
4.2. Mô hình mạch lọc tích cực trên matlab……………...……..............................83
4.2.1. Giới thiệu…………………………..…...............................................83

4.2.2. Mô tả sơ đồ mạch điện……………..…...............................................83
4.2.2.1 Nguồn 3 pha…..…………………..........................................83
4.2.2.2 Tải 3 pha……...…………………..........................................85
4.2.2.3 Bộ lọc tích cực 3 pha……………..........................................85
4.2.3. Khảo sát các đáp ứng mạch lọc trong việc giảm hài dòng..................88
4.2.3.1 Khi ngắt bộ lọc ra khỏi mạch điện..........................................88
4.2.3.2 Khi mạch điện có bộ lọc AF……...........................................89
4.3. Kết luận……………………….........................................................................93
Kết luận chung…….………………………………………………………………94
Tài liệu tham khảo.………………………………………………………….....…95


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
IEEE

Institue of Electric and Electronic Engineers

IEC

International Electronical Commision

ANSI

American National Standards Institute

AF

Active Filter

AFS

Active Filter Series

CSPK

Công suất phản kháng

DFT

Discrete Fourier Transform

FACT

Flexible AC Transmission

FFT

Fast Fourier Transform

PLL

Phase Locked Loop

SVC

Static Var Compensation

TCSC

Thyristor Controlled Series Compensation

VSI

Voltage Source Inverter

VSD

Variable Speed Drives

CSI

Current Source Inverter

PCC

Point of Common Coupling

PWM

Pulse-width modulation

THD

Total Harmonic Distortion

TDD

Total Demand Distortion

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

Tiêu chuẩn về sai lệch điện áp của IEEE 519-1992

Bảng 1.2

Tiêu chuẩn về sai lệch yêu cầu của IEEE 519-1992

Bảng 1.3

IEC 1000-3-2

Bảng 1.4

IEC 1000-3-4

Bảng 1.5

Các thành phần hài của dòng điện lò hồ quang trong hai giai đoạn

Bảng 1.6

Biên độ lớn nhất của dòng hài sinh ra bởi TCR

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1

Xung dòng điện sét

Hình 1.2

Xung dòng điện dao động do đóng liên tiếp tụ điện

Hình 1.3

Điện áp lõm gây ra bởi lỗi chạm đất một pha

Hình 1.4

Điện áp lồi tức thời gây ra bởi sự cố chạm đất một pha

Hình 1.5

Trị hiệu dụng của điện áp ba pha khi xảy ra ngắt do sự cố

Hình 1.6

Notching gây ra bởi bộ biến đổi điện tử công suất ba pha

Hình 1.7

Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc ba

Hình 1.8

Liên quan giữa dạng sóng và các thành phần bậc lẻ, bậc chẵn

Hình 1.9

Dạng sóng dòng điện và phổ tần của đèn phóng điện hiệu suất cao

Hình 1.10

Chỉnh lưu cầu một pha có lọc tụ điện

Hình 1.11

Dòng điều hòa sinh ra bởi bộ PC và Máy in

Hình 1.12

Dạng dòng điện của bộ biến đổi ba pha nguồn áp

Hình 1.13

Bộ biến đổi p pha , một chiều

Hình 1.14

Chuỗi xung dương và âm

Hình 1.15

Bộ biến đổi p pha, hai chiều

Hình 1.16

Cấu trúc bộ biến đổi 12 xung

Hình 1.17

I5 theo góc mở thyristor và góc trùng dẫn

Hình 1.18

Cuộn kháng điều khiển bằng thyristor

Hình 1.19

Bộ TCR đấu song song với bộ tụ bù

Hình 1.20

Dạng dòng điện trong TCR

Hình 2.1

Dòng điều hòa sinh ra từ cầu chỉnh lưu ba pha có tụ lọc

Hình 2.2

Dòng điều hòa sinh ra từ cầu chỉnh lưu ba pha có kháng lọc

Hình 2.3

Độ giảm méo điều hòa của một ASD loại PWM theo kháng lọc đầu vào

Hình 2.4

Kết hợp hai bộ biến đổi 6 xung cấp cùng cho 1 tải tạo hệ thống 12 xung

Hình 2.5

Mạch chỉnh lưu 12 xung Y và  kết hợp

Hình 2.6

Hệ thống điện với các nguồn hài phân tán

Hình 2.7

Nhiều bộ lọc điều chỉnh nối tiếp mắc song song để bẫy các bậc hài

Hình 2.8

Các bộ lọc thụ động thường gặp


Hình 2.9

Bộ lọc điều hòa bậc 5 và ảnh hưởng của nó với hệ thống

Hình 2.10

Cấu trúc bộ lọc và mạch thay thế tương đương

Hình 2.11

Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp

Hình 2.12

Cấu trúc của bộ lọc thông thấp

Hình 2.13

Bộ lọc thông thấp dùng trong công nghiệp

Hình 2.14

Mạch thay thế tương đương khi lắp bộ lọc tụ C

Hình 2.15

Bộ lọc tụ C và đáp ứng tần của trở kháng

Hình 2.16

Cấu hình VSI

Hình 2.17

Cấu hình CSI

Hình 2.18

Bộ lọc tích cực nối tiếp (AFs)

Hình 2.19

Bộ lọc tích cực song song (AF)

Hình 2.20

Bộ lọc tích cực song song kết hợp với bộ lọc thụ động

Hình 2.21

Bộ lọc tích cực UPQC

Hình 2.22

Máy biến áp kiểu zigzag

Hình 2.23

Biến áp đấu sao-tam giác và biến áp zigzag

Hình 3.1

Sơ đồ mạch lực nghịch lưu PWM

Hình 3.2

Sơ đồ thay thế một pha nghịch lưu PWM

Hình 3.3

Giản đồ vectơ nghịch lưu PWM

Hình 3.4

Giản đồ vectơ nghịch lưu PWM trong 2 trường hợp

Hình 3.5

Cấu trúc ĐK vòng hở nghịch lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực

Hình 3.6

Cấu trúc ĐK vòng kín nghịch lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực

Hình 3.7

Phương pháp FFT

Hình 3.8

Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq

Hình 3.9

Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ dq

Hình 3.10

Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q

Hình 3.11

Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q

Hình 3.12

Cấu trúc điều khiển nghịch lưu PWM làm bộ lọc tích cực

Hình 3.13

Sơ đồ mô tả phương pháp điều khiển dòng theo dòng điện chuẩn

Hình 3.14

Điều khiển phát xung cho pha A bộ lọc tích cực


Hình 3.15

Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện pha A

Hình 4.1

Mô hình bộ lọc 3 pha thụ động trong mạch điện AC/DC

Hình 4.2

Các loại bộ lọc cơ bản sử dụng trong mạch lọc

Hình 4.3

Bộ lọc điều chỉnh đơn (a) và băng thông B (b)

Hình 4.4

Mô hình mạch điện bộ biến đổi AC/DC chưa có lọc

Hình 4.5

Điện áp và dòng điện xoay chiều 3 pha khi chưa có lọc với =190

Hình 4.6

Điện áp và dòng điện xoay chiều 3 pha khi chưa có lọc với =350

Hình 4.7

Điện áp và dòng điện một chiều khi chưa có lọc với =190

Hình 4.8

Điện áp pha A và phân tích phổ hài tại B1 khi chưa lọc, =190

Hình 4.9

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại B1 khi chưa lọc, =190

Hình 4.10

Điện áp pha A và phân tích phổ hài tại B1 khi chưa lọc, =650

Hình 4.11

Điện áp và dòng điện xoay chiều 3 pha khi có lọc với =190

Hình 4.12

Điện áp và dòng điện xoay chiều 3 pha khi có lọc với =350

Hình 4.13

Điện áp và dòng điện một chiều khi có lọc với =190

Hình 4.14

Điện áp pha A và phân tích phổ hài tại B1 khi có lọc, =190

Hình 4.15

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại B1 khi có lọc, =190

Hình 4.16

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại B1 khi có lọc, =350

Hình 4.17

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại B1 khi có lọc, =650

Hình 4.18

Đáp ứng tần bộ lọc C1 (ngắt F1, F2, F3)

Hình 4.19

Đáp ứng tần bộ lọc F1 (ngắt C1, F2, F3)

Hình 4.20

Đáp ứng tần bộ lọc F2 (ngắt C1, F1, F3) Bậc 11

Hình 4.21

Đáp ứng tần bộ lọc F2 (ngắt C1, F1, F3) Bậc 13

Hình 4.22

Đáp ứng tần bộ lọc F3 (ngắt C1, F1, F2)

Hình 4.23

Đáp ứng tần bộ lọc 3 pha (a) ứng với góc pha (b)

Hình 4.24

Mô hình bộ lọc tích cực song song trong mạch điện AC/DC

Hình 4.25

Mô hình bộ lọc tích cực AHF

Hình 4.26

Điện áp 1 chiều bộ chỉnh lưu 1

Hình 4.27

Điện áp 1 chiều bộ chỉnh lưu 2


Hình 4.28

Điện áp và dòng điện xoay chiều phía nguồn (tại M1) khi chưa lọc

Hình 4.29

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại M1 khi không lọc tại 3/60s

Hình 4.30

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại M1 khi không lọc tại 8/60s

Hình 4.31

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại M1 khi không lọc tại 13/60s

Hình 4.32

Điện áp và dòng điện xoay chiều phía nguồn khi có lọc (tại M1)

Hình 4.33

Dòng điện xoay chiều phía tải khi có lọc (tại M4)

Hình 4.34

Dòng điện xoay chiều của bộ lọc AHF (tại M2)

Hình 4.35

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại M1 khi có lọc tại 3/60s

Hình 4.36

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại M1 khi có lọc tại 8/60s

Hình 4.37

Dòng điện pha A và phân tích phổ hài tại M1 khi có lọc tại 13/60s


MỞ ĐẦU
Trong điều kiện vận hành, truyền tải điện năng, do trên lưới có nhiều phần
tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Các
thành phần sóng điều hòa bậc cao này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm
tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện,

làm giảm chất lượng điện năng...Giải pháp để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên
lưới có nhiều giải pháp khác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc sóng hài, đặc
biệt là bộ lọc tích cực là phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay. Bộ lọc
tích cực dựa trên thiết bị điện tử công suất và điều khiển để thực hiện nhiều chức
năng khác nhau. Vì vậy, sau 2 năm học tập và nghiên cứu tôi đã lựa chọn đề tài là
“Phân tích đáp ứng của bộ lọc ba pha trong việc giảm hài dòng điện”.
Nội dung luận văn đi vào phân tích cấu trúc mạch lực và thuật điều khiển để
lọc sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng. Nội dung luận văn cần giải
quyết các yêu cầu sau:
- Nghiên cứu về chất lượng điện năng, đặc biệt là sóng hài ảnh hưởng đến chất
lượng điện năng, các tiêu chuẩn kỹ thuật về sóng hài.
- Nghiên cứu lý thuyết bộ lọc sóng hài, đi sâu nghiên cứu cấu trúc và thuật điều
khiển cho bộ lọc tích cực sử dụng nghịch lưu PWM.
- Đánh giá chất lượng dòng điện trên lưới sau khi sử dụng bộ lọc qua việc phân
tích đáp ứng của các bộ lọc ba pha. Chất lượng dòng điện xoay chiều trên lưới
sau khi lọc phải đảm bảo nằm trong tiêu chuẩn cho phép.
Cấu trúc luận văn gồm bốn chương:
- Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng và sóng điều hòa bậc cao
- Chương 2: Các biện pháp hạn chế sóng hài
- Chương 3: Bộ lọc tích cực
- Chương 4: Phân tích đáp ứng của bộ lọc ba pha trong việc giảm hài dòng điện
Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng sự hoạt động
của đối tượng nghiên cứu trên máy tính.


Trong quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
TS. Trần Văn Thịnh cùng với sự cố gắng của bản thân, nay đã hoàn thành. Tuy
nhiên bản bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả kính mong nhận
được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện điện, Viện đào tạo sau đại học Trường Đại

học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS. Trần Văn
Thịnh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Ngày 18 tháng 8 Năm 2014
Học viên thực hiện:

Trần Việt Ninh


1

Chương
TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
VÀ CÁC ĐIỀU HÕA BẬC CAO
1.1.

Chất Lượng Điện Năng

Ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20 người ta đã đưa ra các khái niệm về
"chất lượng điện năng ", lúc đó nó đã trở thành một khái niệm gây tranh cãi, 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 lượng điện năng" được hiểu là
chất lượng của sản phẩm điện được nhà cung cấp phân phối cho các hộ sử dụng .
Còn các nhà chuyên môn thì đưa ra những nhận định của riêng mình.
Theo Roger. C. Dugan: có rất nhiều định nghĩa khác nhau về chất lượng điện
năng, điều này phụ thuộc vào vị trí người đưa ra định nghĩa này. Ví dụ các nhà cung
cấp điện thì định nghĩa "chất lượng điện năng" là độ tin cậy và khẳng định độ tin
cậy đó. Các nhà quản lý điện cũng đưa ra các tiêu chuẩn dựa trên quan điểm này .
Còn các nhà sản xuất thì định nghĩa "chất lượng điện năng" là những đặc tính của

nguồn điện cho phép thiết bị làm việc ổn định. Ngoài ra ông cũng đã viết "chất
lượng điện năng" = "chất lượng điện áp" và phân tích rằng hệ thống cung cấp điện
chỉ có thể điều chỉnh chất lượng của điện áp chứ không thể điều chỉnh được dòng
điện do các tải đặc biệt sinh ra [14]. Từ đó Roger. C. Dugan đưa ra định nghĩa: Chất
lượng điện năng là bất kỳ một vấn đề điện năng nào thể hiện qua sai lệch của điện
áp, dòng điện hay tần số dẫn đến các thiết bị của người sử dụng bị hỏng hay hoạt
động sai [14].

12


Với Barry. W. Kennedy, ông nhận định chất lượng điện năng theo hai quan
điểm nó là một vấn đề hay một sản phẩm tuỳ thuộc theo quan điểm của từng người.
Ông viết: Nếu bạn là một kỹ sư điện, một nhà nghiên cứu về điện hay một thợ điện
thì bạn có thể nhìn nhận chất lượng điện năng là một vấn đề và cần phải được giải
quyết. Còn nếu bạn là nhà kinh doanh, người mua bán điện hay một khách hàng
tiêu thụ điện thì điện năng là một sản phẩm và chất lượng điện năng là một phần
quan trọng trong đó. Từ đó ông đưa ra định nghĩa của Gerry Heydt về chất lượng
điện năng “là biện pháp, sự phân tích,cải thiện cho điện áp, thông thường là điện
áp trên tải , để duy trì điện áp này ở dạng sin theo điện áp và tần số định mức” [15].
Còn Kabelo Klifford Modipance cho rằng: chất lượng điện năng là bất kỳ
phản ứng nào không bình thường trên hệ thống điện xảy ra đối với dạng sóng của
dòng điện hay /và điện áp, tác động có hại đối với sự hoạt động bình thường của
thiết bị điện tử hay điện [17].
Các cơ quan tiêu chuẩn hoá quốc tế như IEEE (Institue of Electric and
Electronic Engineers) và IEC (International Electronical Commision) cũng đã bắt
đầu định nghĩa và phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện năng.
Theo IEEE thì: chất lượng điện năng là một khái niệm của việc nối nguồn và
nối đất cho các thiết bị nhạy cảm mà theo cách đó phù hợp cho việc hoạt động của
thiết bị. Vào năm 2000, IEC đã đưa ra bản dự thảo và đề nghị định nghĩa về chất

lượng điện năng theo cách sau: chất lượng điện năng là tính chất điện tại một điểm
cho trước trên một hệ thống điện được đánh giá so sánh với một bộ các thông số kỹ
thuật tham khảo [15].
1.2.

Các hiện tượng xảy ra trên lưới điện

1.2.1. Quá độ
Quá độ là các nhiễu mà có thời gian kéo dài lớn hơn ba chu kì (50Hz-60ms)
[14]. Các nhiễu này xuất phát từ rất nhiều nguyên nhân: ví dụ đóng cắt tụ điện,
phóng điện trong đèn huỳnh quang, chúng có thể được xếp vào các loại nhiễu xung
và nhiễu dao động. Quá độ có thể được phân loại thành hai dạng:

13


a. Quá độ xung kích
Quá độ xung kích là sự thay đổi đột nhiên trong điều kiện làm việc ổn định
của điện áp hoặc dòng điện hay cả hai mà sự thay đổi này không làm thay đổi giá trị
cực tính của điện áp hay dòng điện (Khởi đầu điện áp hay dòng điện có thể là âm
hay dương).

Hình 1.1 Xung dòng điện sét [14]
b. Quá độ dao động
Quá độ dao động là sự thay đổi đột nhiên trong các điều kiện ổn định của
điện áp và dòng điện hoặc cả hai mà sự thay đổi này làm thay đổi chiều cực tính của
điện áp hay dòng điện bao gồm cả hai giá trị âm và dương. Tùy theo tần số dao
dộng mà chúng được phân loại vào tấn số thấp (fdđ < 5 kHz), trung bình (5 kHz ≤
fdđ<500 kHz) và tần số cao (500 kHz ≤ fdđ < 5 MHz) [14].

Hình 1.2 Xung dòng điện dao động do đóng liên tiếp tụ điện [14]

14


1.2.2. Các biến thiên điện áp ngắn hạn
Các biến đổi này bao gồm các loại ngắt thời gian ngắn, điện áp lõm và điện
áp lồi được xếp trong tiêu chuẩn IEC [14]. Mỗi loại khác nhau có thể được xếp loại
vào trường hợp tức thời (instaneous), thoáng qua (momentary), tạm thời
(temporary), điều này phụ thuộc vào khoảng thời gian tồn tại của chúng. Biến đổi
điện áp trong thời gian ngắn được chia thành ba loại khác nhau: tức thời 0,5 ≤ t < 30
chu kỳ (600ms), thoáng qua 30 chu kỳ ≤ t < 3 s, tạm thời 3 giây ≤ t < 1 phút.
a. Điện áp lõm
Thuật ngữ lõm điện áp (Sag-Dip) đã được sử dụng trong nhiều năm để mô tả
độ suy giảm của điện áp tong một khoảng thời gian nào đấy. Mặc dù lõm điện áp
không được chính thức định nghĩa, nhưng các nhà phân phối điện năng ngày càng
sử dụng nhiều thuật ngữ này, các nhà sản xuất thiết bị và hộ tiêu dùng tương tự cũng
chấp nhận và sử dụng. Điện áp lõm (hình 1.3) được hiểu là mức suy giảm điện áp
trong khoảng 10% đến 90% giá trị hiệu dụng định mức trong khoảng thời gian từ
nửa chu kì (50Hz-10ms) đến một phút.

Hình 1.3 Điện áp lõm gây ra bởi lỗi chạm đất một pha
(a) Giá trị hiệu dụng, (b) Dạng sóng [14]
b. Điện áp lồi
Được định nghĩa là sự tăng của điện áp trong khoảng 1,1 đến 1,8 lần giá trị
hiệu dụng điện áp định mức tại tần số công nghiệp (50Hz) và tồn tại trong khoảng

15

thời gina từ 0,5 chu kì (10ms-50Hz) cho đến một phút. Điện áp lồi (hay quá áp tức
thời) là do sự phóng nạp của các tụ bù trên lưới và sự cố do sét đánh.[14]

Hình 1.4 Điện áp lồi tức thời gây ra bởi sự cố chạm đất một pha [14]
c. Ngắt
Xuất hiện khi điện áp nguồn cung cấp giảm xuống dưới 10% giá trị định
mức trong khoảng thời gian không quá một phút. Nó là kết quả của các sự cố hệ
thống, các sự cố vận hành và điều khiển không chuẩn

Hình 1.5 Trị hiệu dụng của điện áp ba pha khi xảy ra ngắt do sự cố [14]
1.2.3. Các biến thiên điện áp duy trì
Là sự quá điện áp, dưới điện áp, hay trạng thái duy trì ngắt ở điều kiện làm
việc ổn định. Các ảnh hưởng này có khoảng thời gian xuất hiện trên một phút [14].

16


a. Điện áp thấp
Là sự suy giảm điện áp bên dưới 90% điện áp hiệu dụng định mức và thời
gian tồn tại của nó phải lớn hơn một phút. Dưới điện áp đôi khi được gọi là
“Brownout” mặc dù thuật ngữ này không được định nghĩa một cách rõ ràng.
Brownout thường được các nhà cung cấp điện năng sử dụng khi họ cố tình giảm
điện áp hệ thống xuống cho phù hợp với nhu cầu sử dụng điện cao điểm hoặc một
lý do đáng quan tâm nào đó [14].
b. Quá điện áp
Là hiện tượng điện áp đặt vào thiết bị có giá trị vượt quá 110% giá trị điện áp
hiệu dụng định mức trong khoảng thời gian lớn hơn 1 phút [14].
c. Ngắt duy trì
Khi điện áp của nguồn cung cấp bằng không trong khoảng thời gian lớn hơn
một phút thì được gọi là ngắt duy trì. Nói chung, các ngắt điện áp kéo dài quá một

phút thì thường là kéo dài vĩnh viễn, do đó cần có sự tác động của người sửa chữa
và vận hành để phục hồi lại hệ thống. Tuy nhiên, ngắt duy trì phải được hiểu là các
hiện tượng của hệ thống điện năng và chúng không có sự liên hệ nào với tình trạng
mất điện của lưới [14].
1.2.4. Biến dạng sóng
Được định nghĩa là sự sai lệch ổn định so với dạng sóng tần số lý tưởng của
điện năng, được xác định bằng cách phân tích phổ tần số của sự sai lệch [14]. Biến
dạng sóng được xếp vào năm loại cơ bản.
a. Khoảng một chiều
Sự xuất hiện của dòng điện hay điện áp một chiều trong mạng điện xoay
chiều được gọi là khoảng một chiều. Khoảng một chiều xuất hiện do nhiễu từ
trường trái đất hoặc do tác động của chỉnh lưu nửa chu kỳ [14].
b. Điều hòa
Các điều hòa (hay sóng hài): là các dòng điện hay điện áp có tần số bằng số
nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thường được gọi là tần số sóng cơ bản,
thông thường là 50Hz, 60Hz). Các dòng điện, điện áp bị méo có thể được phân tích
thành tổng của sóng các tần số cơ bản và các điều hòa. Các điều hoà này do các tải
phi tuyến sinh ra. Chúng thường gây ra các sự cố cho các thiết bị như quá nhiệt, tác
động nhầm [14].

17


c. Nội điều hòa
Các dòng điện hay điện áp chứa các thành phần tần không phải là số nguyên
lần tần số cơ bản được gọi là các nội điều hòa. Chúng dường như là các tần số rời
rạc hay là các phổ tần số mở rộng [14].
d. Nhiễu sinh ra do trùng dẫn (Notching)
Là các nhiễu điện áp tuần hoàn xuất hiện trong các thiết bị điện tử công suất
khi dòng điện chuyển mạch từ pha này sang pha khác. Khi notching xuất hiện trong

mạch, nó có thể được nhận dạng thông qua phân tích phổ tần của điện áp chịu tác
động [14].

Hình 1.6 Notching gây ra bởi bộ biến đổi điện tử công suất ba pha [14]
e. Nhiễu
Được định nghĩa là các tín hiệu điện không mong muốn với phổ tần rất rộng
nhưng nhỏ hơn 200kHz, được xếp chồng lên điện áp hay dòng điện của hệ thống
trong các đường dây pha, đường dây trung tính hay các đường dây tín hiệu [14].
1.2.5. Dao động điện áp
Dao động điện áp là các biến đổi có hệ thống của điện áp hay là một chuỗi
thay đổi các điện áp ngẫu nhiên, nhưng biên độ của các thay đổi điên áp thay đổi
này thường là không vượt quá cùng giới hạn đã được xác định theo tiêu chuẩn ANSI
(American National Standards Institute) C 84.1 là 0,9 † 1,1 giá trị tương đối (pu)
[14].
1.2.6. Dao động tần số
Dao động tần số được định nghĩa là sự sai lệch tần số cơ bản hệ thống định
mức được xác định của nó (thường là 50Hz-60Hz) trong khoảng thời gian <10s
[14].

18


1.2.7. Mất đối xứng
Trong phụ lục D của tiêu chuẩn ANSI (ANSI Std C84-1989) mất đối xứng
điện áp được xác định là tỉ lệ phần trăm giữa độ lệch lớn nhất khỏi giá trị hiệu dụng
của điện ba pha chia cho giá trị hiệu dụng của điện áp ba pha đó [14].
%Kh«ng c©n b»ng ®iÖn ¸p =

1.3.

®é lÖch lín nhÊt so víi gi¸ trÞ trung b×nh
100%
gi¸ trÞ trung b×nh

Tổng quan về sóng hài và các chỉ số đánh giá

1.3.1. Sóng hài và phân tích sóng hài
Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là
phân tích Fourier. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có
chu kỳ (không sin) thì tương đương và có thể được thay thế bởi tổng của các dạng
sóng điều hòa hình sin, chúng bao gồm:
- Một sóng hình sin với tần số cơ bản (50Hz)
- Một số các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, đó là bội của tần số
cơ bản.
Dạng sóng méo ở hình 1.7 được phân tích thành một thành phần sóng cơ bản
và một thành phần sóng hài bậc 3. Tổng giá trị hiệu dụng của dòng điện méo này
được tính bằng căn bậc hai của tổng các bình phương của dòng cơ bản và dòng hài.
Dấu hiệu để xác định một dạng sóng méo có thành phần hài bậc chẵn hay
bậc lẻ như sau [2] [10]:
- Hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo lặp lại y hệt nửa
chu kỳ dương, nhưng với chiều âm. Nói cách khác, hài bậc lẻ xuất hiện khi phần tư
chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba là giống nhau, phần tư chu kỳ thứ hai và
thứ tư là giống nhau (hình 1.8a). Hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ dương và nửa
chu kỳ âm là đối xứng nhau (do đó các hài bậc chẵn bị triệt tiêu)

Hình 1.7 Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc ba

19

- Hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ dương.
Một đặc điểm khác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư thứ nhất và thứ tư là giống
nhau, phần tư thứ hai và thứ ba là giống nhau (hình 1.8b). Thường ít khi thấy hài
bậc chẵn trong các hệ thống điện công nghiệp [10].

Hình 1.8 Liên quan giữa dạng sóng và các thành phần bậc lẻ (a) và bậc chẵn (b)

Mức độ méo sóng hài sinh ra do bộ VSD phụ thuộc vào rất nhiều biến số và
nhiều biến số rất khó để định lượng, ví dụ:
 Biên độ của dòng điện chảy qua bộ biến đổi
 Cấu trúc của mạch điện tử công suất (6 xung, 12 xung)
 Đặc tính và trở kháng của hệ thống cung cấp điện nối đến tải [10]
Nguyên nhân chính tại sao bộ biến đổi điện tử công suất sinh ra dòng điện hài
là vì dòng điện không liên tục trong mỗi pha. Xét về khía cạnh sinh ra sóng hài thì
việc cầu chỉnh lưu dùng van diode hay van thyristor đều không quan trọng vì chúng
đều hoạt động tương tự nhau. Trong một cầu chỉnh lưu, chỉ có hai thyristor (hoặc
diode) được dẫn tại một thời điểm bất kỳ, và khoảng thời gian được dẫn này sẽ lần
lượt đến phiên các thyristor (diode) kế tiếp. Trong một chu kỳ của điện áp nguồn
cấp, mỗi một pha trong ba pha đều dẫn một xung dương trong 120o và một xung âm
trong 120o [10].
Các dòng điện pha gián đoạn này kết hợp lại ở phía một chiều để tạo ra dòng
điện một chiều DC nhấp nhô, dòng điện này được làm trơn bằng một cuộn kháng ở
phía một chiều. Như vậy, bộ chỉnh lưu có thể được xem như một nguồn phát sóng
hài về phía lưới. [10]
Các bộ biến đổi điện tử công suất không sinh ra tất cả các bậc hài mà chỉ một
số bậc hài nhất định. Bậc và biên độ của một sóng hài dòng điện sinh ra bởi bộ biến
đổi điện tử công suất phụ thuộc vào 3 yếu tố chính sau [10]:
 Số xung của một bộ biến đổi (p). Số xung của bộ biến đổi là số xung một
chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lưu trong một chu kỳ của điện áp nguồn cấp.
Bậc của sóng hài sinh ra được xác định theo công thức:

20






n = kp ± 1
Trong đó:
n: bậc của sóng hài
k: số nguyên dương bất kỳ
p: số xung của bộ biến đổi
Biên độ của dòng tải, dòng điện phía một chiều của bộ chỉnh lưu ảnh
hưởng tới biên độ của dòng điện hài
Biên độ của điện áp tải, áp một chiều của bộ chỉnh lưu ảnh hưởng tới
dòng tải

1.3.2. Các chỉ số đánh giá
a. Tổng méo điều hòa THD (Total Harmonic Distortion)
Là chỉ số đánh giá độ méo của các thành phần điều hòa của một sóng bị méo
so với thành phần cơ bản, được áp dụng để tính toán cho cả dòng điện và điện áp,
được tính bằng công thức sau [15]
kmax

M

THD =

2

k

k=2

(1.16)

M1

Trong đó: Mk là giá trị hiệu dụng của thành phần điều hòa bậc k.
M1 là giá trị hiệu dụng của thành phần điều hòa bậc cơ bản.
Chỉ số THD cho biết lượng năng lượng nhiệt tổn hao khi cung cấp điện áp
méo cho một tải trở. THD hầu hết được sử dụng để mô tả méo điện áp điều hòa
b. Tổng méo nhu cầu TDD (Total Demand Distortion)
Chỉ số THD có thể được dùng để nhận biết mức độ méo của dòng điện,
nhưng điều này đôi khi dẫn đến những hiểu lầm. Một dòng điện rất nhỏ nhưng lại
có thể có chỉ số THD rất cao khi giá trị của dòng cơ bản thấp. Như vậy khi tải bé thì
THD của dòng điện không có nhiều ý nghĩa.
Để tránh nhầm lẫn, các nhà phân tích đưa ra chỉ số tổng méo nhu cầu TDD:
kmax

I

TDD =

k=2

2
k

(1.17)

IR

Trong đó: Ik là giá trị hiệu dụng của thành phần dòng điều hòa bậc k.

21


IR giá trị trung bình của dòng tham chiếu bậc cơ bản.
Công thức này tương tự như THD nhưng độ méo được tính bằng phần trăm
so với biên độ của dòng định mức hay là dòng tải lớn nhất chứ không phải theo
phần trăm so với dòng điện cơ bản. Nếu tải đã có trong hệ thống từ trước thì I R là
giá trị trung bình của dòng tải nhu cầu đỉnh của 12 tháng trước đây, nếu các thiết bị
mới thì

I R có thể được tính toán bằng cách ước lượng dựa trên các tài liệu của thiết

bị tiêu dùng.
1.3.3. Các tiêu chuẩn kỹ thật về sóng hài
1.3.3.1. Giới hạn sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE 519 - 1992
Việc đánh giá độ méo điều hòa thường được thực hiện tại điểm giữa hộ sử
dụng và hệ thống phân phối, tại điểm này có các hộ sử dụng khác cùng nối tới.
Điểm này gọi là điểm đổi nối chung PCC (Point of Common Coupling)
Điểm PCC có thể ở phía sơ cấp hoặc thứ cấp của máy biến áp phụ thuộc vào
máy biến áp đó có cung cấp tải cho nhiều hộ sử dụng hay là không. Điều này có
nghĩa là nếu có nhiều hộ sử dụng cùng lấy nguồn từ phía sơ cấp của máy biến áp thì
PCC ở phía sơ cấp, còn ngược lại, nếu có nhiều hộ sử dụng cùng lấy nguồn từ phía
thứ cấp thì PCC ở phía thứ cấp.
Khi điểm PCC ở phía sơ cấp thì việc đo đạc dòng điện vẫn thực hiện ở phía
thứ cấp. Sau đó kết quả được quy về phía sơ cấp, có tính đến cả ảnh hưởng của sơ

đồ đấu máy biến áp với các hài thứ tự không.
Để giải quyết ảnh hưởng xấu do sóng hài tới hệ thống điện các nước đã đề ra
tiêu chuẩn quốc gia để đảm bảo chất lượng cho mạng điện lưới, năm 1992, Mỹ đưa
ra tiêu chuẩn IEEE 519, đã chỉ ra rằng nơi cấp nguồn phải có trách nhiệm duy trì
chất lượng điện áp và mỗi cấp điện áp khác nhau có tiêu chuẩn khác nhau.
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn về sai lệch điện áp của IEEE 519-1992 [16]
Các cấp điện áp tại PCC

<69kV

69-161kV

>161kV

Từng loại sóng hài (%)

3,0

1,5

1

Tổng các loại sóng hài (%)

5,0

2,5

1,5

Theo tiêu chuẩn của Việt Nam thì độ biến dạng đối với cấp điện 110, 220,

22


500kV thì tổng biến dạng là 3% còn với cấp trung áp là 6,5% .
Theo IEEE 519-1992 thì khách hàng phải có trách nhiệm duy trì thành phần
sóng hài dòng điện nằm trong phạm vi cho phép. Sau đây là tiêu chuẩn IEEE 5191992 đối với mạng điện nhỏ hơn hoặc bằng 69kV.
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn về sai lệch yêu cầu của IEEE 519-1992
<11
111723Isc/IL
(%)
(%)
(%)
(%)

35(%)

TDD
(%)

<20*

4,0

2,0

1,5

0,6

0,3

5,0

20<50

7,0

3,5

2,5

1,0

0,5

8,0

50<100

10,0

4,5

4,0

1,5

0,7

12,0

100<1.000

12,0

5,5

5,0

2,0

1,0

15,0

>1.000

15,0

7,0

6,0

2,5

1,4

20,0

Trong đó :
ISC

: Dòng ngắn mạch lớn nhất tại điểm nối.

ILOAD : Dòng tải lớn nhất tại tần số cơ bản.
TDD : Tổng méo nhu cầu.
Các hộ sử dụng điện hạn chế thành phần sóng hài nhỏ hơn 5%. Trong đó sóng
hài thứ 11 nhỏ hơn 4%, sóng hài 11-17 nhỏ hơn 2%, sóng hài 17-23 nhỏ hơn 1.5%.
1.3.3.2. Giới hạn sóng hài theo tiêu chuẩn IEC
Ủy ban kỹ thuật điện tử quốc tế IEC đề ra tiêu chuẩn IEC 1000-3-2 “hạn chế
sóng hài đối với thiết bị nối vào mạng hạ áp” tiêu chuẩn dòng điện nhỏ hơn 16A.
Các chỉ tiêu hạn chế dòng điện sóng hài như bảng 1.3.
Bảng 1.3 IEC 1000-3-2 [13]
Bảng 1.3a: Sóng hài bậc lẻ
h

3

5

7

9

23

11

13

15≤ h≤39


Imax(A)

2,3

1,44

0,77

0,4

0,33

0,21

0,15x15/h

Bảng 1.3b: Sóng hài bậc chẵn
h

2

4

6

8≤h≤40

Imax(A)

1,08

0,43

0,3

0,23x8/h

IEC 1000-3-2 chú ý tới hạn chế các thiết bị có sóng hài dòng điện lớn hơn
tiêu chuẩn trên.
Năm 1995 IEC lại công bố tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 “hạn chế thành phần
sóng hài dòng điện đối với các thiết bị dùng dòng điện lớn hơn 16A”. Tiêu chuẩn
này quy định trị số hạn chế sóng hài chia theo tình huống và đẳng cấp. Đối với nhiều
thiết bị cùng đặt trong một hệ thống thì nên xét chúng vào một chỉnh thể. Hệ số sóng
hài dòng điên như bảng 1.4
Bảng 1.4 IEC 1000-3-4
h(lẻ)

3

5

7

9

11

13

15

17

31

33

(Ih/I1)%

21,6

10,7

7,2

3,8

3,1

2

0,7

1,2

0,7

0,6

Khi đó h (chẵn) thì (Ih/I1)% bằng 0,8n hoặc 0,6n
1.3.4. Nguồn phát sinh sóng hài
Trước khi có sự xuất hiện của các linh kiện bán dẫn công suất, nguyên nhân
chính gây ra méo dạng sóng là các lò hồ quang, đèn huỳnh quang, và ở mức độ thấp
hơn là từ máy biến áp và máy điện quay.
1.3.4.1. Các thiết bị có hiện tượng bão hòa mạch từ
Các thiết bị loại này bao gồm các máy biến áp, các máy điện quay và các
thiết bị điện từ khác với cấu trúc có lõi thép tại đó điều hòa được sinh ra do các tính
chất từ hóa phi tuyến của lõi sắt. Các máy biến áp thường được thiết kế để hoạt
động ở dưới điểm bão hòa, mật độ từ cảm của máy biến áp được lựa chọn dựa trên
các yếu tố như giá thành thép, các tổn hao không tải, độ ồn và các nhân tố khác.
Thông thường dòng từ hóa của máy biến áp chứa rất nhiều các điều hòa, nó có giá
trị nhỏ hơn 1% dòng đầy tải. Mặc dù điều hòa sinh ra bởi máy biến áp rõ ràng là
nhỏ hơn các thiết bị điện tử công suất nhưng trong hệ thống điện, nhất là hệ thống

24