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

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

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

PHAN TIẾN DŨNG

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

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

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM
2016


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

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

PHAN TIẾN DŨNG

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

Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VÕ VIẾT CƯỜNG

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM
2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Võ Viết Cường

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 9 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT
1
2
3
4
5

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

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

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

PGS.TS. Ngô Cao Cường



TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

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

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

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 11/05/1980

Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

1441830036
I- Tên đề tài:
Nghiên cứu giảm thiểu sóng hài lưới điện Nhà máy thép trên địa bàn TP.HCM.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
 Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về chất lượng điện năng.
 Tìm hiểu các vấn đề cơ bản về sóng hài.


Tìm hiểu các tiêu chuẩn liên quan về sóng hài.



Nghiên cứu các giải pháp chống sóng hài.



Lựa chọn một trong các giải pháp để thực hiện chống sóng hài.



Thực hiện chống sóng hài cho Nhà máy thép.



Nhận xét và đánh giá kết quả.



Kết luận.

III- Ngày giao nhiệm vụ: 01/2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 7/2016
V- Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ Võ Viết Cường
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Võ Viết Cường

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Phan Tiến Dũng

ii

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


3

TÓM TẮT
Trước sự lớn mạnh của nền kinh tế thì việc gia tăng nhanh chóng phụ tải điện đã
gây sức ép rất lớn cho ngành điện, đặc biệt là sự gia tăng của các phụ tải phi tuyến
trong các hệ thống điện nói chung và trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng. Đây chính

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


4

ABSTRACT

Because of the growth of the economy, the rapid increase in electricity load
caused huge pressure for the power sector, especially the rise of nonlinear loads in the
power system and particularly in industry sector. This is reason why the frequency sine
waves are integer multiples of the basic frequency called harmonics. The spread

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


5

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ...............................................................................................................i
Lời cảm ơn .................................................................................................................ii
Tóm tắt ..................................................................................................................... iii
Abstract .....................................................................................................................iv
Mục lục ....................................................................................................................... v
Danh mục các từ viết tắt ............................................................................................ix
Danh mục các bảng .................................................................................................... x
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, sơ đồ, hình ảnh .........................................................xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG
HÀI
1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng
1.1.1 Định nghĩa chất lượng điện năng
1.1.2 Chất lượng điện năng = chất lượng điện áp
1.2 Tổng quan về sóng hài
1.2.1 Khái niệm sóng hài
1.2.2 Hiệu ứng sóng hài
1.2.3 Dòng hài
1.2.4 Tác hại của sóng hài
1.2.5 Các đại lượng biểu thị cho sóng hài
1.2.5.1 Độ méo dạng hài toàn phần

1
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5

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

6
7
8
8
9

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

9
10
11
11


6

1.3.2.2 Các thiết bị hồ quang
1.3.2.3 Các thiết bị bão hòa
1.4 Ảnh hưởng của sự méo dạng sóng hài lên các phần tử của hệ thống điện
1.4.1 Ảnh hưởng lên tụ điện
1.4.2 Ảnh hưởng lên các máy biến áp
1.4.3 Ảnh hưởng lên các động cơ
1.4.4 Ảnh hưởng lên các đường dây truyền thông, dụng cụ đo đếm điện năng,
thiết bị điều khiển và thiết bị điện tử nhạy cảm
1.5 Các tiêu chuẩn sóng hài
1.5.1 Tiêu chuẩn sóng hài trong nước

1.5.2 Tiêu chuẩn sóng hài quốc tế
1.5.2.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992
1.5.2.2 Tiêu chuẩn IEC
CHƯƠNG 2: LÕ CẢM ỨNG VÀ SÓNG HÀI DO LÒ CẢM ỨNG GÂY RA
2.1 Tổng quan về lò nấu thép cảm ứng
2.1.1 Giới thiệu chung về lò cam ứng
2.1.2 Phạm vi ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số
2.1.3 Phân loại các thiết bị gia nhiệt tần số
2.2 Mô hình hóa lò nấu thép cảm ứng sử dụng mạch nghịch lưu cộng hưởng
nguồn dòng song song.
2.2.1 Giới thiệu về mạch lò cộng hưởng song song
2.2.2 Mô hình hóa lò nấu thép cảm ứng sử dụng mạch nghịch lưu cộng hưởng
nguồn dòng song song trên phần mềm matlab/Simulink.
2.2.2.1 Các thông số của mô hình:
2.2.2.2 Khối cấp nguồn
2.2.2.3 Khối chỉnh lưu có điều khiển
2.2.2.4 Khối nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng
2.2.2.5 Khối lò nấu thép cảm ứng
2.2.2.6 Khối phát xung điều khiển
2.2.2.7 Khối đo lường và hiển thị
2.3 Nhận xét
CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU SÓNG HÀI
3.1 Các giải pháp giảm thiểu sóng hài

13
13
14
14
15
18

19
20
20
21
21
23
25
25
25
26
26
27
27
29
29
30
30
31
32
33
34
39
40
40


vii

3.1.1 Vai trò của việc nghiên cứu sóng hài
3.1.2 Thủ tục nghiên cứu sóng hài

3.1.3 Giảm các dòng điện hài được sinh ra bởi phụ tải bằng cuộn cảm
3.1.4 Giảm các dòng điện hài được sinh ra bởi phụ tải bằng tổ đấu dây của máy
biến áp

40
41
42

3.1.5 Lọc
3.1.5.1 Bộ lọc thụ động

44
47
47

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

59
60
61
61

61
61
62
63
64
64

3.2.2.2 Phép giao hai tập mờ
3.2.2.3 Mệnh đề hợp thành
3.2.3 Luật hợp thành
3.2.4 Giải mờ
3.2.5 Bộ điều khiển mờ
3.2.6 Nguyên lý điều khiển mờ
3.3 Giải pháp giảm thiểu sóng hài cho các công ty thép sử dụng lò cảm ứng
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG
4.1 Phân tích số liệu sóng hài đo được của phụ tải thực tế tại nhà máy thép
4.1.1 Số liệu sóng hài đo tại Công ty TNHH MTV Thép Đăng Khoa, Xã
Đông Thạnh, Huyện Hốc Môn, TP.HCM.
4.1.2 Số liệu sóng hài đo tại Công ty TNHH Sản Xuất - Thương Mại Thép
Châu Á, Xã Xuân Thới Sơn, Huyện Hốc Môn, TP.HCM.
4.1.3 Thông số kỹ thuật Công ty thép Đăng Khoa
4.1.4 Nhận xét về số liệu sóng hài đo được

64
65
65
67
68
68
69

70
70
70
71
72
73


8

4.2 Xây dựng mô hình cho giải pháp đã chọn để tiến hành mô phỏng bằng phần
mềm Matlab
4.2.1 Tính toán các thông số của bộ lọc AF
4.2.1.1 Tính chọn giá trị nguồn một chiều cấp cho nghịch lưu
4.2.1.2 Tính chọn giá trị tụ điện C
4.2.1.3 Tính chọn giá trị điện cảm Lf
4.2.1.4 Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển
4.2.1.5 Cấu trúc điều khiển AF
4.2.1.6 Xác định dòng điện bù hài (iref)
4.2.1.7 Bộ lọc thông thấp (LPF)
4.2.1.8 Phương pháp điều chế PWM
4.2.2 Mô hình hóa bộ lọc AF bằng phần mềm Matlab/Simulink
4.2.2.1 Khâu tách dòng điện hài BPF
4.2.2.2 Bộ lọc thông thấp LPF
4.2.2.3 Bộ điều khiển AF
4.2.2.4 Khâu AF
4.2.3 Ứng dụng hệ mờ điều khiển bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng.
4.2.3.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ
4.2.3.2 Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulik khi sử dụng bộ điều
khiển mờ

4.3 Đánh giá và so sánh kết quả
4.3.1 Đánh giá và so sánh kết quả khi thêm bộ lọc tích cực sử dụng hệ mờ
4.3.2 So sánh kết quả khi thêm bộ lọc tích cực sử dụng hệ mờ với điều khiển bộ
lọc tích cực bằng phương pháp điều khiển theo vecto không gian.
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬT VÀ KIẾN NGHỊ
5.1 Kết luận
5.2 Kiến nghị
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

74
74
74
75
76
76
77
77
78
79
80
80
81
81
81
82
82
85
88
88

91
92
92
92
94


9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
- ASD (Adjustabe Speed Drive): Bộ điều chỉnh tốc độ.
- ANSI (American National Standards Institute): Tiêu chuẩn kỹ thuật, Mỹ.
- Cap (Capacitor): Tụ điện.
- CENLEC (European Committee for Electrotechnical Standardization): Ủy ban châu
âu về tiêu chuẩn hóa kỹ thuật điện.
- CSI (Current Source Inverter): Bộ nghịch lưu kiểu nguồn dòng.
- EMC (Electromagnetic Compatibility): Khả năng tương thích điện từ.
- ENs (European Standards) : Các tiêu chuẩn của Châu âu
- Filt (Filter): Bộ lọc.
- Fund (Fundamental): Cơ bản.
- GTO (Gate Turn Off): Linh kiện bán dẫn công suất Thyristor có điều khiển đóng hoặc
ngắt bằng dòng điện xung dương hoặc âm kích cổng.
- Harm (Hamornic): Sóng hài.
- IEC (International Electrotechnical Commission): Hội đồng kỹ thuật điện quốc tế.
- IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers): Viện kỹ sư điện - điện
tử, Mỹ.
- L-L (Line - Line): Pha-pha.
- PCC (Point of Common Coupling): Điểm kết nối chung.
- PWM (Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung.
- RMS (Root Mean Square): Trị hiệu dụng.

- SCR (Silicon Controlled Rectifier): Linh kiện bán dẫn công suất Thyristor có điều
khiển đóng bằng dòng điện xung dương kích cổng, không kích ngắt.
- SMPS (Switch-Mode Power Supply): Bộ nguồn một chiều dạng xung.
- TDD (Total Demand Distortion): Méo dạng nhu cầu tổng.
- THD (Total Harmonic Distortion): Méo dạng sóng hài toàn phần.
- VSI (Voltage Source Inverter): Bộ nghịch lưu kiểu nguồn áp.


10

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Ví dụ việc đánh giá thông số của tụ ............................................................ 16
Bảng 1.2 Các giá trị PEC-R của các máy biến áp tiêu biểu ........................................... 18
Bảng 1.3 Độ biến dạng sóng hài điện áp .................................................................... 21
Bảng 1.4 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ biến
(từ 120V đến 69.000V) .............................................................................................. 21
Bảng 1.5 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ biến
(từ 69.001V đến 161.000V) ....................................................................................... 22
Bảng 1.6 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống truyền tải
(>161.000V) ............................................................................................................... 22
Bảng 1.7 Các mức giới hạn méo dạng điện áp theo tiêu chuẩn IEEE519-1992 ........ 23
Bảng 1.8 Giới hạn phát sinh dòng hài cho thiết bị theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-4 .. 24
Bảng 2.1 So sánh hiệu suất và việc cung cấp điện cho lò nấu thép cảm ứng ............ 28
Bảng 2.2 Tỷ lệ các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn ................................ 38
Bảng 3.1 Gía trị méo dạng tối đa theo % tổng trở của cuộn kháng ........................... 43
Bảng 4.1 Bảng luật hợp thành .................................................................................... 85
Bảng 4.2 Tỷ lệ thành phần sóng điều hòa của dòng điện nguồn pha A trước và sau
khi có bộ lọc AF tác động sử dụng điều khiển mờ ..................................................... 88
Bảng 4.3 Tỷ lệ thành phần sóng điều hòa của dòng điện nguồn pha A trước và sau
khi có bộ lọc AF tác động sử dụng điều khiển Fuzzy ................................................. 90

11

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các kết quả thăm dò về nguyên nhân làm xấu chất lượng điện năng ......... 2
Hình 1.2 Cách xác định điểm kết nối chung dựa vào số phụ tải................................. 8
Hình 1.3 Dòng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang dùng tăng phô từ .................. 10
Hình 1.4 Dòng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang dùng tăng phô điện tử .......... 10
Hình 1.5 Cấu tạo bộ nguồn dạng xung...................................................................... 10
Hình 1.6 Dòng điện và phổ hài của bộ nguồn dc dạng xung .................................... 11
Hình 1.7 Dòng điện và phổ hài của bộ ASD dạng CSI............................................. 12
Hình 1.8 Dòng điện và phổ hài của bộ ASD dạng PWM ......................................... 12
Hình 1.9 Mạch tương đương của thiết bị hồ quang .................................................. 13
Hình 1.10 Đặc tính từ hóa của máy biến áp .............................................................. 13
Hình 1.11 Dòng điện từ hóa của máy biến áp và phổ hài tương ứng ....................... 14
Hình 1.12 Dòng điện của tụ điện khi xảy ra cộng hưởng với hài bậc 11 ................. 15
Hình 1.13 Sự liên kết cảm ứng của dòng điện dư của hệ thống điện đối với mạng
điện thoại .................................................................................................. 19
Hình 1.14 Hướng đi của các dòng hài...................................................................... 20
Hình 2.1 Cấu tạo chung của lò nấu thép cảm ứng .................................................... 26
Hình 2.2 Mạch lò cảm ứng song song....................................................................... 27
Hình 2.3 Mạch cấp điện cho tải lò nấu thép cảm ứng ............................................... 29
Hình 2.4 Mô hình hệ thống cung cấp điện lò nấu thép cảm ứng trên phần mềm
Matlab/Simulink......................................................................................................... 30
Hình 2.5 Nguồn cung cấp ba pha ba dây .................................................................. 30
Hình 2.6 Khối chỉnh lưu có điều khiển ..................................................................... 31
Hình 2.7 Khối nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng .................................................. 31
Hình 2.8 Khối lò nấu thép cảm ứng ........................................................................... 32
Hình 2.9 Khối phát xung điều khiển .......................................................................... 33

xii

Hình 2.10 Giản đồ xung kích điều khiển bộ nghịch lưu cộng hưởng ....................... 34
Hình 2.11 Khối đo lường và hiển thị ......................................................................... 34
Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện tại các điểm đo trên sơ đồ mô phỏng lò cảm
ứng.............................................................................................................................. 37
Hình 2.13 Phổ tín hiệu dòng điện pha A ứng với Lt=108,4 µH................................. 38
Hình 3.1 Mức độ méo dạng dòng điện theo điện kháng Z của cuộn kháng ............. 43
Hình 3.2 So sánh độ méo dạng của hai trường hợp có và không có cuộn kháng 3%
đối với nhiều dung lượng khác nhau của bộ ASD ..................................... 44
Hình 3.3 Kết hợp 2 bộ ASD 6-xung với 2 máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau để
tạo ra hiệu ứng 12-xung để loại bỏ các hài bậc 5 và bậc 7 ........................ 45
Hình 3.4 Máy biến áp đấu dây kiểu ZigZag để dẫn các hài thứ tự không ra khỏi hệ
thống........................................................................................................... 45
Hình 3.5 Cấu tạo các bộ lọc thụ động phổ biến ....................................................... 47
Hình 3.6 Một pha của bộ lọc ba pha điển hình được bao kín bằng kim loại ........... 48
Hình 3.7 Bộ lọc tiêu biểu cho các ứng dụng trong công nghiệp ............................... 48
Hình 3.8 Tạo một bộ lọc hài bậc 5 và ảnh hưởng của chúng lên đáp ứng của
hệ thống .................................................................................................... 49
Hình 3.9 Cấu tạo của bộ lọc thụ động nối tiếp điển hình ......................................... 51
Hình 3.10 Cấu tạo của bộ lọc thông thấp dải rộng điển hình.................................... 51
Hình 3.11 Ứng dụng bộ lọc thông thấp dải rộng trong hệ thống điện công nghiệp 52
Hình 3.12 Cấu tạo của bộ lọc thông thấp dải rộng ba pha điển hình ....................... 53
Hình 3.13 Bộ lọc thông thấp dải rộng thương mại 600 V điển hình ........................ 54
Hình 3.14 Cấu tạo của bộ lọc C điển hình và đáp ứng tần số của chúng ................ 55
Hình 3.15 Mạch tương đương của bộ lọc C ............................................................. 56
Hình 3.16 Đáp ứng tần số của bộ lọc C với các mức dòng hài tối đa (10%, 30% và
50%) được phép chạy vào hệ thống tại tần số hT=5,5 ............................. 57

13

Hình 3.17 Đáp ứng tần số của bộ lọc C ứng với hai trường hợp có và không có sự kết
hợp với bộ lọc notch .................................................................................................. 59
Hình 3.18 Ứng dụng điển hình của bộ lọc tích cực ................................................ 59
Hình 3.19 Các dạnh hàm liên thuộc thông dụng ........................................................ 61
Hình 3.20 Bộ điều khiển mờ cơ bản .......................................................................... 62
Hình 3.21 Ví dụ về một bộ đồ điều khiển mở động................................................... 62
Hình 3.22 Miền giá trị ................................................................................................ 62
Hình 3.23 Hàm liên thuộc biến nhiệt sai .................................................................... 63
Hình 3.24 Phép hợp hai tập mờ.................................................................................. 64
Hình 3.25 Phép giao hai tập mờ ................................................................................. 65
Hình 3.26 Tổng hợp theo động cơ suy diễn ............................................................... 67
Hình 3.27 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm ...................................................... 68
Hình 3.28 Bộ điều khiển mờ MIS .............................................................................. 68
Hình 3.29 Nguyên lý điều khiển mờ .......................................................................... 68
Hình 4. 1 Phổ hài điện áp và hài dòng điện đo được tại công ty thép Duy anh ....... 71
Hình 4.2 Phổ hài điện áp và hài dòng điện đo được tại công ty thép Tiến bộ ......... 72
Hình 4.3 Cấu trúc tổng quát của toàn bộ lò nấu thép cảm ứng có bộ lọc AF ............ 74
Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực AF....................................................... 77
Hình 4.5 Sơ đồ mạch điện và đặc tính pass filter....................................................... 78
Hình 4.6 Sơ đồ mạch điện LPF .................................................................................. 78
Hình 4.7 Phương pháp điều chế PWM ...................................................................... 80
Hình 4.8 Mô hình khâu tách dòng điện dài BPF........................................................ 80
Hình 4.9 Mô hình khâu lọc thông thấp LPF .............................................................. 81
Hình 4.10 Mô hình khâu điều khiển .......................................................................... 81
Hình 4.11 Mô hình khâu nghịch lưu AF .................................................................... 82
Hình 4.12 Mờ hóa biến ngôn ngữ e ........................................................................... 83

Hình 4.13 Mờ hóa biến ngôn ngữ de ......................................................................... 83


14

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


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI
1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng
1.1.1 Định nghĩa chất lượng điện năng
Có thể có nhiều định nghĩa khác nhau về chất lượng điện năng tùy thuộc vào
quan điểm của mỗi người. Ví dụ, các Công ty điện lực có thể định nghĩa chất lượng
điện năng là độ tin cậy cung cấp điện và thể hiện bằng phần trăm độ tin cậy, chẳng hạn
như 99,98%. Các nhà sản xuất thiết bị dùng điện có thể định nghĩa chất lượng điện
năng là những đặc tính của nguồn cung cấp mà cho phép thiết bị làm việc một cách
đúng đắn. Những đặc tính này có thể là rất khác nhau đối với các tiêu chí khác nhau.
Tuy nhiên, sau cùng thì định nghĩa về chất lượng điện năng được đưa ra bởi chính ý
kiến của khách hàng dùng điện. Định nghĩa này như sau:
“Bất kỳ sự cố nào xảy ra trên hệ thống điện mà làm cho điện áp, dòng điện hoặc tần

số bị sai lệch dẫn đến tải của khách hàng bị hỏng hoặc không vận hành”
Có nhiều nguyên nhân gây ra các vấn đề chất lượng điện năng. Biểu đồ trên
hình 1.1 cho thấy các nguyên nhân làm xấu chất lượng điện năng qua thăm dò của
Công ty điện lực Georgia ở Hoa kỳ, biểu đồ cho thấy cả Công ty điện lực và khách
hàng tiêu thụ điện đều tham gia vào việc gây ra các vấn đề chất lượng điện năng.
Ý kiến của khách hàng


2

Tự nhiên: 60%
Khác 3%
Láng giềng: 8%
Khách hàng: 12%
Công ty điện lực: 17%
Ý kiến của công ty điện lực



Tự nhiên: 66%
Khác 0%
Láng giềng: 8%

Khách hàng: 25%
Công ty điện lực: 1%

Hình 1.1 Các kết quả thăm dò về các nguyên nhân làm xấu chất lượng điện năng
Nếu năng lượng điện là không thỏa đáng đối với những yêu cầu của tải, thì có
nghĩa là “chất lượng” xấu.
1.1.2 Chất lượng điện năng = chất lượng điện áp

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


lượng điện năng chịu ơn lớn đối với những nguời này bởi vì những quan tâm của họ đã
đi trước trong vấn đề mới về sóng hài đã khuấy động việc nghiên cứu mà cuối cùng đã
cho ra các kiến thức về tất cả các khía cạnh về chất lượng điện năng.
Các vấn đề về sóng hài thì chống lại các nguyên tắc thiết kế cổ điển và vận hành
hệ thống điện mà chỉ quan tâm đến tần số cơ bản. Vì thế, các kỹ sư phải đối mặt với
hiện tượng không quen thuộc mà đòi hỏi những công cụ mới để phân tích và thiết bị
mới để giải quyết vấn đề này. Bộ phận sử dụng đầu cuối thì chịu các vấn đề về họa tần
nhiều hơn bộ phận cung cấp điện. Các hộ công nghiệp với các bộ điều chỉnh tốc độ, lò
hồ quang, lò cảm ứng, và tương tự là nơi phát sinh hài đáng quan tâm nhất.
Sự méo dạng hài thì không phải là hiện tượng mới trên các hệ thống điện. Mối
quan tâm đối với sự méo dạng đã giảm dần và đã trải qua một khoảng thời gian trong
lịch sử của các hệ thống điện xoay chiều. Lướt qua các tài liệu kỹ thuật của những năm
30 và 40 của thế kỷ 20, có nhiều bài báo quan tâm về chủ đề này. May thay, chúng ta

đã thấy được trong nhiều năm rằng, nếu hệ thống được phân cở hợp lý để điều khiển
nhu cầu công suất của phụ tải, thì xác xuất mà các hài sẽ làm phát sinh sự cố nguy
hiểm đối với hệ thống điện là thấp, mặc dầu chúng có thể cho ra các sự cố đối với các
kỹ thuật truyền thông.
1.2.1 Khái niệm sóng hài
Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất
lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ giới
hạn cho phép. Dòng điện hài là dòng điện có tần số là bội của tần số cơ bản. Ví dụ
dòng 250Hz trên lưới 50Hz là sóng hài bậc 5.
Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trên
lưới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hóa sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao.
1.2.2 Hiệu ứng sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ cũng có
thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới


sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp
có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu
sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data
network) và thiết bị đo cho kết quả sai.
1.2.3 Dòng hài
Dòng điện và điện áp hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống
phân phối điện. Toàn bộ các bộ biến đổi năng lượng điện sử dụng dưới các dạng khác
nhau trong hệ thống điện có thể làm tăng nhiễu sóng hài bằng cách bơm trực tiếp dòng
điện hài vào lưới. Các tải phi tuyến thông thường bao gồm khởi động động cơ, các hệ
truyền động điện, máy tính và các thiết bị điện tử khác, đèn điện tử, nguồn hàn...
1.2.4 Tác hại của sóng hài
Hệ thống lưới điện có thể bị gây hại bởi nhiều tác nhân, trong đó một nguy cơ
tiềm ẩn làm cản trở hoạt động và làm hao mòn thiết bị nhưng ít người nhận biết được
chính là sóng hài - mối nguy cơ tiềm ẩn được phát hiện ngay đầu thập niên 1890.

Sóng hài và mức độ ảnh hưởng: Sóng hài là dòng điện không mong muốn làm
quá tải đường dây và biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc thậm chí gây hỏa hoạn)
và gây nhiễu lên lưới điện. Trong trường hợp chạy nhiều động cơ cùng lúc, nếu không
có biện pháp kiểm soát sóng hài có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu
cầu (power demand) và làm máy ngừng chạy (do nguồn bị quá tải).
Nếu phải thay thế thiết bị hư hỏng nguyên nhân gây ra do sóng hài, điều này có
thể làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% và kinh phí vận hành đến 10%. Trong ngành
công nghiệp, bảo vệ lợi nhuận là ưu tiên hàng đầu, kiểm soát được thiết bị và kinh phí
vận hành là nhân tố quan trọng. Muốn đạt được mục tiêu này các doanh nghiệp, tổ
chức cần lưu tâm và làm tốt công tác hạn chế tác hại của sóng hài. Tác hại của sóng hài
với lưới điện: Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện
tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới
điện như làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hư