Nghiên cứu lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện năng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ĐÌNH GIẢNG

NGHIÊN CỨU LỌC SÓNG HÀI NHẰM NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG DANH HOẰNG

Thái Nguyên - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Đình Giảng
Sinh ngày: 26 tháng 3 năm 1976
Học viên lớp cao học khoá 20 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật
Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Công ty điện lực Bắc Kạn.
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng
của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.

Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Giảng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa
sau đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo,
cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến
quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của
các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc
Đại học Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và
góp ý của thầy TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa
học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên
đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn
nữa trong quá trình công tác sau này.
Học viên

Nguyễn Đình Giảng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2.
Mục
tiêu
nghiên
................................................................................................1

cứu

3. Nội dung của luận văn.............................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ BẮC KẠN VÀ PHỤ
TẢI
PHÁT
SINH
..................................................................................3

SÓNG

HÀI

1.1. Tổng quan lưới điện thành phố Bắc Kạn .............................................................3
1.1.1. Lưới điện trung thế............................................................................................4
1.1.2. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Bắc Kạn trong một vài năm
gần đây ........................................................................................................................7
1.2.3. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính toán .......................................................8
1.2. Sự phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong hệ thống cung cấp điện.....9
1.2.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao ...............................................9
1.2.2. Một số nguyên nhân cơ bản phát sinh sóng điều hòa bậc cao .......................16
1.3. Kết luận chương 1..............................................................................................23
Chương 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC
TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG.......25
2.1. Tổng quan bộ lọc sóng điều hòa bậc cao ...........................................................25
2.1.1 Bộ lọc thụ động ................................................................................................25
2.1.2. Bộ lọc chủ động (bộ lọc tích cực) .................................................................27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2.2. Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực ........................................28

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

2.2.1. Phân loại theo sơ đồ nguyên lý .......................................................................28
2.2.2. Phân loại theo nguồn cung cấp điện................................................................32
2.2.3. Phân loại theo bộ biến đổi công suất...............................................................34
2.3 Bộ lọc hỗn hợp ....................................................................................................35
2.4. Nguyên lý làm việc của thiết bị bù tích cực.......................................................37
2.5. Các thuật toán lọc tích cực .................................................................................39
2.5.1 Các thuật toán lọc tích cực dựa trên miền tần số .............................................39
2.5.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian ..................................41
2.6. Xây dựng cấu trúc điều khiển ............................................................................47
2.7. Kết luận chương 2 ..............................................................................................50
Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG..........51
3.1. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink..............................51
3.1.1. Khối nguồn xoay chiều 3 pha..........................................................................51
3.1.2. Khối tải phi tuyến............................................................................................52
3.1.2. Khối bộ lọc tích cực ........................................................................................52
3.1.3. Khâu tính toán độ méo dạng (THD) ...............................................................59
3.1.4. Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha...................60
3.1.5. Khâu đo dòng điện, điện áp.............................................................................60
3.2. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................................60
3.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống..........................................62
3.3.1. Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực ..................................62
3.3.2. Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực........................................64
3.3.3. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống .......................................................70
3.4. Kết luận chương 3 ..............................................................................................71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

f

Tần số lưới điện

2

f(t)

Hàm chu kỳ không sin

3

U1

Biên độ thành phần điện áp điều hoà cơ bản

4

Un

Biên độ thành phần điện áp điều hoà bậc n

5

I1

Biên độ thành phần dòng điện điều hoà cơ bản

6

In

Biên độ thành phần dòng điện điều hoà bậc n

7

PF

Hệ số công suất

8

p

Công suất tác dụng tức thời

9

q

Công suất phản kháng tức thời

10

P

Công suất tác dụng

11

Q

Công suất phản kháng

12

R

Điện trở lọc

13

L

Điện cảm lọc

14

C

Điện dung lọc

15

iS

Dòng điện nguồn

16

iL

Dòng điện lưới phía tải (dòng tải)

17

iF

Dòng điện chạy qua bộ lọc

18

Us

Điện áp nguồn

19

Uh

Điện áp thành phần điều hoà bậc cao

20

UF

Điện áp thành phần cơ bản

21

u0, u, u

Điện áp biểu diễn trên hệ trục 

22

ua, ub, uc

Điện áp biểu diễn trên hệ trục abc

23

ia, ib, ic

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục abc

24

i0, i, i

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục 

25

ud, uq

Điện áp biểu diễn trên hệ trục dq

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




26

id, iq

27



28

Udc

Điện áp 1 chiều

29

S

Công suất biểu kiến

31
32

Tần số góc nguồn điện

,

30

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục dq

T

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần
dòng 1 chiều
Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần
dòng xoay chiều
Chu kỳ dòng điện

Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

33

CSPK

Công suất phản kháng

34

CSTD

Công suất tác dụng

35

THD

Hệ số méo dạng

36

SVC

Đóng ngắt bằng Thyristor

37

DC

Một chiều

38

AC

Xoay chiều

39

AFn

Bộ lọc tích cực song song

40

AFS

Bộ lọc tích cực nối tiếp

41

TSR

Thyristor Switched Reactor

42

TCR

Thyristor controller Reactor

43

DFT

Discrete Fourier Transform

44

FFT

Fast Fourier Transform

45

PLL

Phase locked loop

46

SVM

Space vector modulation method


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Mang tải của đường dây trung thế sau trạm 110kV Bắc Kạn ...................6
Bảng 1.2. Tổn thất điện năng qua các năm của thành phố Bắc Kạn...........................7
Bảng 1.3. Kết quả công suất các lộ trung thế..............................................................8
Bảng 1.4. Tổn thất điện năng kỹ thuật qua các năm của TP Bắc Kạn ........................9
Bảng 1.5. Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp ................................15

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ kết dây cơ bản lưới điện Thành phố Bắc Kạn ..................................3
Hình 1.2: Trạm 110KV Bắc Kạn ................................................................................5
Hình 1.3: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin) .....10
Hình 1.4: Các thành phần sóng điều hòa ..................................................................11
Hình 1.5: Phân tích Fn thành an và bn ........................................................................12
Hình 1.6: Phổ của các thành phần điều hòa ..............................................................13
Hình 1.7: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển........................17
Hình 1.8: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1
pha không điều khiển .............................................................................17
Hình 1.9: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần ....................................................18
Hình 1.10: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha không điều khiển......................18
Hình 1.11: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 3
pha không điều khiển ............................................................... ..............19
Hình 1.12: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần .................................................19
Hình 1.13: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp qua
bộ điều khiển PI .....................................................................................20
Hình 1.14: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu
Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp.......................................................20
Hình 1.15: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần .................................................21
Hình 1.16: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển PWM ................21
Hình 1.17: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu
Thyristor 3 pha điều khiển PWM ..........................................................22
Hình 1.18: Dạng dòng điện pha A phía nguồn và phổ tần.......................................22
Hình 2.1: Bộ lọc RC – các tụ mắc hình sao .............................................................26
Hình 2.2: Bộ lọc LC - các tụ mắc hình sao ...............................................................26
Hình 2.3: Bộ lọc tích cực song song ............................................................... ..........29
Hình 2.4: Cấu trúc bộ lọc song song ............................................................... ..........30

Hình 2.5: Bộ lọc tích cực nối tiếp ............................................................................31
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý làm việc của AFS............................................................32
Hình 2.7: Bộ lọc tích cực 3 dây............................................................... ..................33
Hình 2.8: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa ..........................................................34
Hình 2.9: Bộ lọc tích cực 4 dây............................................................... .................34
Hình 2.10: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn áp VSI ......................................35
Hình 2.11: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn dòng CSI ..................................35
Hình 2.12: Cấu trúc bộ lọc hỗn hợp với bộ lọc tích cực có 2 loại: a) song song
và b) nối tiếp ......................................................................................... .36
Hình 2.13: Nguyên lý bù công suất phản kháng của bộ bù tích cực .........................37
Hình 2.14: Trạng thái hấp thụ công suất của bộ lọc tích cực ....................................38
Hình 2.15: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ lọc ...................................39
Hình 2.16: Phương pháp FFT ...................................................................................41
Hình 2.17: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq ...............................................42
Hình 2.18: Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ dq .........................43
Hình 2.19: Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q pq. .......................................45
Hình 2.20: Lưu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q................................48
Hình 2.21: Cấu trúc điều khiển hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực..........................49
Hình 3.1: Khối nguồn ba pha ...................................................................................51
Hình 3.2: Khối tải phi tuyến......................................................................................52
Hình 3.3: Bộ biến đổi và thông số của bộ biến đổi ...................................................53
Hình 3.4: Mạch điều khiển của bộ lọc ......................................................................54
Hình 3.5: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ..................................................................55
Hình 3.6: Khâu tính bù công suất PQ ......................................................................56
Hình 3.7: Khâu tính toán dòng bù pq ........................................................................57
Hình 3.8: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc ..............................................................57
Hình 3.9: Khối SVM .................................................................................................58
Hình 3.10: Chọn các véc tơ .......................................................................................59
Hình 3.11: Khâu tính toán TDH và thông số của TDH ............................................59

Hình 3.12: Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu dòng áp................................................60
Hình 3.13: Khâu đo dòng điện, điện áp ....................................................................60
Hình 3.14: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi
tuyến khi chưa có bộ lọc tích cực ..........................................................61
Hình 3.15. Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi
tuyến khi có bộ lọc tích cực ...................................................................62
Hình 3.16: Dạng dòng điện nguồn ............................................................................63
Hình 3.17: Phân tích phổ và THD của dòng điện nguồn ..........................................63
Hình 3.18: Dạng dòng điện 3 pha trước khi bộ lọc tác động ...................................65
Hình 3.19: Dạng dòng điện 3 pha khi có bộ lọc tác động........................................66
Hình 3.20: Dạng dòng điện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác động ..................67
Hình 3.21: Dạng dòng điện khi có bộ lọc tác động xét tại thời điểm từ 0,3 đến
0,4s....67
Hình 3.22: Phân tích phổ của dòng điện pha A khi có bộ lọc tác động ...................68
Hình 3.23: Công suất phản kháng của hệ thống .......................................................68
Hình 3.24: Hệ số công suất cosφ..............................................................................69
Hình 3.25: Các đặc tính dòng điện, cosphi, công suất phản kháng, công suất
biểu kiến, điện áp Ud của hệ thống ........................................................69
Hình 3.26: Phân tích phần trăm phổ dòng điên nguồn pha A khi có bộ lọc .............70


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp trong đất nước. Điện năng
cung cấp cho các phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về giá trị công suất mà
chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo. Trong điều kiện vận hành, truyền tải
điện năng, do trên các phụ tải 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... Do đó, các
thành phần dòng điều hòa bậc cao trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn
các thành phần điều hòa bậc cao.
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 tích cực dựa trên thiết bị điện tử công suất
và điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau như loại bỏ sóng hài và có
khả năng bù công suất phản kháng.
Từ những nhận định trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu phương pháp
sử dụng bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng lưới điện cung cấp cho các phụ tải. Vì
vậy tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện
năng".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về hệ thống lưới điện phân phối cung cấp điện cho thành phố Bắc
Kạn của tỉnh Bắc Kạn.
- Phân tích hiện tượng xuất hiện sóng hài bậc cao.
- Đề xuất thiết kế bộ lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao và có khả năng bù
công suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng nguồn điện cung cấp.
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:


Chương 1: Tổng quan lưới điện thành phố Bắc Kạn và phụ tải phát sinh sóng hài.
Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển sử dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng
hài và bù công suất phản kháng.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống
Kết luận và kiến nghị


Chương 1

TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ BẮC KẠN VÀ PHỤ TẢI
PHÁT SINH SÓNG HÀI
1.1. Tổng quan lưới điện thành phố Bắc Kạn
Trạm 110kV-E26.1 Bắc Kạn đặt tại phường Nguyễn Thị Minh Khai – thành
phố Bắc Kạn với qui mô công suất 1x25 MVA-115/38,5/23kV & 1x25 MVA115/38,5/11kV. Trạm được cấp điện từ 2 nguồn: từ trạm 220kV Cao Bằng qua
tuyến đường dây 110kV- lộ 171 và lộ 173 – E26.1 kết nối với lộ 172 – E6.6 từ trạm
110kV Phú Lương. Hiện tại trạm là nguồn chính cấp cho thành phố Bắc Kạn qua
các đường dây 35kV, 22kV. Phía 35kV của trạm gồm 6 lộ (371, 372, 373, 374, 376
và 378), trong đó lộ đường dây 372 cấp điện cho phụ tải một phần cho khu vực
thành phố Bắc Kạn và một phần cho huyện Bạch Thông. Lộ đường dây 373 cấp
điện cho phụ tải một phần khu vực thành phố Bắc Kạn và cho toàn huyện Chợ Mới,
huyện Na Rì. Lộ đường dây 374 cấp điện cho phụ tải một phần khu vực thành phố
Bắc Kạn và cho toàn huyện Chợ Mới.
Phía 22kV có 6 lộ (471, 472 và 474), các lộ đường dây 22kV cấp điện cho phụ
tải một phần cho khu vực thành phố Bắc Kạn.

Hình 1.1: Sơ đồ kết dây cơ bản lưới điện Thành phố Bắc Kạn


1.1.1. Lưới điện trung thế
- Tổng đường dây trung thế: 197,584 km.
- Đường dây 35kV: 142,355 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 134,51 km.
+ Tài sản khách hàng: 7,845 km.
- Đường dây 22kV: 56,775 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 48,488 km.
+ Tài sản khách hàng: 8,287 km.
- Cáp ngầm 35kV: 1,575 km.

Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 1,575 km.
+ Tài sản khách hàng: 0 km.
- Cáp ngầm 22kV: 23,128 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 21,585 km.
+ Tài sản khách hàng: 1,543 km.
- Trạm biến áp: Tổng số: 217 TBA/ 217 Máy; S = 49.871 kVA.
- Trạm 35/0.4kV: 80 trạm/ 80 máy. S =13.564,5 kVA.
Trong đó
+ Tài sản của Điện lực: 53 trạm/ 53 máy. S = 5.364,5 kVA.
+ Tài sản khách hàng: 27 trạm/ 27 máy. S = 8.200 kVA.


- Trạm 22/0.4kV: 137 trạm/ 137 máy. S = 36.306,5 kVA.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 87 trạm/ 87 máy. S = 19.945 kVA.
+ Tài sản khách hàng: 50 trạm/ 50 máy. S = 15.126,5 kVA .
- Tổng chiều dài đường dây 0.4kV: 220,8 km.
- Tổng số khách hàng: 18.593 Khách hàng.
Thống kê tình trạng mang tải của các đường dây trung thế khu vực thành phố
Bắc Kạn như sau:

Hình 1.2: Trạm 110KV Bắc Kạn


Bảng 1.1. Mang tải của đường dây trung thế sau trạm 110kV Bắc Kạn

TT
I

1

Tên trạm 110kV
Trạm Bắc Kạn (E26.1)
Lộ 371

2

Lộ 372

3

Lộ 373

4

Lộ 374

5

Lộ 376

6

Lộ 378

7

Lộ 471

8

Lộ 472

9

Lộ 474

Loại dây - tiết
diện Chiều dài
trục (km)

AC-120, 95, 70,
50
692,41
AC-120, 70, 50
50,87
AC-95, 70, 50
495,384+1,575
AC-120, 70, 50
48,582
AC-120, 95, 70,
50
18,87
AC-120
3,58
ASXV 120;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC70, 50
6,494+4,704

ASXV 120, 95;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC120, 95, 70, 50
15,958+4,891
ASXV 120, 95;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC120, 70, 50
11,194+13,532

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Pmax (kW)
Pmin (kW)
6.830
3.995
2.577
0
10.309
1.418
10.567
3.350
7.345
3.608
0
0

2.591
1.981

6.859

3.506

5.640
4.725



1.1.2. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Bắc Kạn trong một vài năm
gần đây
Theo thống kê, tổn thất điện năng của tỉnh từ năm 2015 đến nay thay đổi khác
nhau qua các năm tuỳ theo phương thức vận hành và sự phát triển của lưới điện
35kV,22kV. Công ty Điện lực Bắc Kạn đã áp dụng nhiều biện pháp để giảm tổn
thất điện năng như:
- Tính toán lựa chọn phương thức vận hành và điều độ tối ưu để đạt được mức
tổn thất thấp nhất.
- Cải tạo nâng tiết diện các đường dây trung thế đã cũ nát, tiết diện nhỏ, xây
dựng các đường dây trung thế mới có tiết diện lớn nhằm san tải cho các tuyến dây
quá tải.
- Cải tạo chuyển đổi dần lưới điện 10kV lên 22kV.
- Tính toán và thực hiện việc bù công suất phản kháng bằng các bộ tụ bù trên
lưới 0,4kV; 22kV; 35kV, yêu cầu tất cả các khách hàng có trạm chuyên dùng thực
hiện các biện pháp bù hạ thế để đảm bảo cos  > 0,9.
- Kiểm tra tình hình sử dụng điện của khách hàng để tránh các hiện tượng lấy
cắp điện, kiểm định thay thế công tơ định kì, thay thế công tơ cơ khí bằng công tơ
điện tử, kiểm tra và cân pha cho các đường dây hạ thế (Điện lực quản lí).
- Lắp đặt trạm biến áp với công suất hợp lí, hoán chuyển vị trí lắp đặt giữa các
MBA quá tải với các MBA đang non tải.
- Đã hoàn thành bàn giao lưới điện trung áp nông thôn cho ngành điện theo kế
hoạch của Bộ công thương.
Bảng 1.2. Tổn thất điện năng qua các năm của thành phố Bắc Kạn

Năm

2015

2016

2017

2018

Tổn thất Thành Phố

4,49%

4,15%

4,83%

4,31%

Bắc Kạn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.2.3. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính toán
Tính toán phân bố công suất và tổn thất cho lưới điện trung thế
Mục đích của việc tính toán lưới điện hiện trạng là xác định phân bố công suất

và tổn thất về kĩ thuật trong lưới điện, kiểm tra khả năng mang tải cũng như các chỉ
tiêu kĩ thuật khác.
Để thực hiện công việc tính toán này cần phải tiến hành:
- Cập nhật chi tiết sơ đồ lưới điện hiện trạng, các thông số kỹ thuật của lưới
điện và phương thức vận hành của chúng.
- Công suất cực đại cực tiểu của các lộ xuất tuyến trung thế.
- Công suất cực đại tại thanh cái cao thế các trạm trung tâm cấp nguồn.
- Tính toán lưới điện hiện trạng được thực hiện toàn hệ thống ở chế độ phụ tải
cực đại để kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật và khả năng mang tải của lưới.
Bảng 1.3. Kết quả công suất các lộ trung thế
TT

Tên trạm / tên lộ

Điện áp

Pmax

Tổn thất

Tổn thất

Tổn thất

(kV)

(kW)

công suất điện năng

điện áp

(%)
I

(%)

(%)

Trạm 110 kV Bắc
Kạn

1

Lộ 371

35

6.830

2

Lộ 372

35

2.577

3

Lộ 373

35

10.309

4

Lộ 374

35

10.567

5

Lộ 376

35

7.345

6

Lộ 378

35

0

7

Lộ 471

22

2.591

8

Lộ 472

22

6.859

9

Lộ 474

22

5.640

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Bảng 1.4. Tổn thất điện năng kỹ thuật qua các năm của TP Bắc Kạn

Năm

2015

2016

2017

2018

Tổn thất Thành Phố

3,26%

3,4%

3,5%

3,6%

Bắc Kạn
Từ kết quả tính toán chế độ lưới điện phân phối trung thế và hạ thế cho thấy
các trị số tính toán tổn thất kĩ thuật là tương đối phù hợp với các trị số thống kê từ
thực tế vận hành và phản ánh tương đối sát thực tình trạng vận hành hiện tại của
lưới điện thành phố Bắc Kạn.
1.2. Sự phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong hệ thống cung cấp điện
1.2.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao
Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong đời sống dân sinh cũng như sản xuất
công nghiệp hết sức đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, đồng nghĩa
kéo theo đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ

thống cung cấp điện.
Như ta đã biết rằng, điện năng truyền tải trong hệ thống cung cấp điện thông
qua việc sử dụng một sóng điện từ có tần số 50 Hz (Việt Nam) hoặc 60 Hz (Mỹ,
Nhật), gọi là sóng cơ bản. Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân như: Sự
cố đường dây, các phụ tải phi tuyến như: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ…
làm cho phát sinh phía nguồn hệ thống cung cấp điện các sóng điện từ có tần số bằng
bội số nguyên lần tần số cơ bản. Các sóng này gọi chung là sóng điều hòa bậc cao
(hay còn gọi là sóng hài).
Sự tồn tại của các sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống điện gây ảnh hưởng
không tốt tới các thiết bị điện và đường dây truyền tải. Chúng gây ra hiện tượng: quá
áp, méo điện áp lưới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụ tải,
giảm chất lượng điện năng và gián đoạn cung cấp điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao ra khỏi hệ
thống điện. Các thiết bị được sử dụng để loại bỏ sóng điều hòa bậc cao gọi là các
bộ lọc.
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong sản xuất
công nghiệp. Đề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực, đảm bảo
các yêu cầu đặt ra về chất lượng điện năng cho lưới cung cấp và phân phối điện đến
phụ tải.
1.2.1.1. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao
Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ra tại các nhà máy
điện, trạm điện lớn có chất lượng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc
biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng
không còn dạng sin [10, 11].
100

50

0

-50

-100
0

0. 01

0. 02

0. 03

0. 04

0. 05
0.1

0. 06

0. 07

0. 08

0. 09

a)

100

50

0

-50

-100
0

0. 01

0. 02

0. 03

0. 04

0. 05

0. 06

0. 07

0. 08

0. 09

0.1

b)
Hình 1.3: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Sóng chu kỳ không sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng điều hoà
mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản.
Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành
các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không:
- Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11…
- Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5, 8…
- Thành phần thứ tự không: các sóng điều hòa 3, 6, 9…
Khi xảy ra trường hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng điều hòa có
thể bao gồm một trong ba thành phần trên.
Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện nên cần
phải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao lớn hơn mức độ cho phép.
Sóng điều hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần
số cơ bản.
Thí dụ: Ta có dòng điện với tần số 150(Hz) tồn tại trên lưới làm việc với tần
số 50(Hz), suy ra đây là dòng điều hòa bậc 3 và dòng 150(Hz) này là dòng không
sử dụng được với các thiết bị làm việc trên lưới 50(Hz). Vì vậy nó sẽ chuyển thành
dạng nhiệt năng và gây tổn hao.
1.5
1
0.5

f(t)

Thành phần cơ bản
Thành phần bậc 5

0
-0.5

Thành phần bậc 7

-1
-1.5

Hình 1.4: Các thành phần sóng điều hòa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Để phân tích sóng chu kỳ không sin thành các sóng điều hoà, ta sử dụng
chuỗi Fourier với chu kỳ T(s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz) hoặc ω = 2πf
(rad/s), có thể biểu diễn một sóng chu kỳ không sin f(t) theo Fourier như biểu
thức sau:
(2.1)
Trong đó :
: Giá trị trung bình
Fn: Biên độ của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier
Thành phần sóng cơ bản
Thành phần sóng cơ bản
: Góc pha của sóng điều hòa bậc n
Ta có thể viết như sau:

(2.2)
Ta quy ước:
Khi đó ta có thể viết như sau:
(2.3)

Im

Re
Hình 1.5: Phân tích Fn thành an và bn


0
-1000
-2000

0.2

0.205

0.21

0.215

Ví dụ phổ của sóng điều hòa bậc cTaimoeđ(ưs)ợc thể hiện như sau [2, 5]:
Fundamental (50Hz) = 1205 , THD= 8.40%
8

Mag (% of
Fundamental)

6

4

2

0

0

5

10
Harmonic
order

15

20

Hình 1.6: Phổ của các thành phần điều hòa
Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan trọng
nhất dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao.


THD 
Trong đó:

Xn
n2

2

X1

(2.4)

X1: Biên độ thành phần cơ bản
Xn: Biên độ thành phần điều hòa bậc n.

Từ công thức trên ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp qua hệ
số méo dạng như sau:
 Hệ số méo dạng dòng điện:


THD 
Trong đó:

nI2 n2
I1

I1: Biên độ thành phần dòng cơ bản
In: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n.

(2.5)