Nghiên cứu lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện năng (Luận văn thạc sĩ)

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

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục dq

27



Tần số góc nguồn điện

28

Udc

Điện áp 1 chiều

29

S

Công suất biểu kiến
,

30

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần
dòng xoay chiều

31
32

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần
dòng 1 chiều

T

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

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




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

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




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




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




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

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




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




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

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

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




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




- 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

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




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

(kV)

(kW)

công suất điện năng điện áp
(%)

I

Tổn thất
(%)

Tổn thất
(%)

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�ng suất đồng thời với chức năng lọc thì các cấu hình thiết
kế có thể chỉ giới hạn ở mức độ công suất nhỏ. Trường hợp làm việc ở dải công suất
lớn thường dùng bù bằng SVC - đóng ngắt bằng thyristor (loại này có đáp ứng
chậm nhưng giá thành rẻ).
b. Bù sóng điều hòa bậc cao điện áp:
Bù điện áp không được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì nguồn thường có
trở kháng thấp và điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong
phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố tăng hoặc giảm áp. Vấn đề bù điện áp chỉ
được xem xét đến khi tải nhạy cảm với sự xuất hiện sóng điều hòa bậc cao điện áp
trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện.
c. Bù sóng điều hòa bậc cao dòng điện:
Bù các thành phần sóng điều hòa bậc cao dòng điện có ý nghĩa quan trọng đối với

các tải công suất vừa và nhỏ. Việc giảm thành phần sóng điều hòa bậc cao dòng điện
trong lưới còn có tác dụng giảm độ méo dạng điện áp lưới tại điểm đấu dây chung.
2.1.2.2. Giới hạn công suất của bộ lọc tích cực
a. Các ứng dụng phạm vi công suất thấp:
Các ứng dụng bộ lọc tích cực có công suất nhỏ hơn 100kVA, chủ yếu phục vụ
các khu dân cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất
vừa và nhỏ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Tính chất của các hệ thống tải này đòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực tương
đối phức tạp có đáp ứng động học cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiều mạch lọc
tích cực ở dãy công suất lớn. Thực tế đáp ứng có thể thay đổi trong khoảng chục µs
đến vài ms.
b. Các ứng dụng phạm vi công suất trung bình:
Các ứng dụng bộ lọc tích cực cho các thiết bị có công suất hoạt động nằm
trong khoảng từ 100kVA đến 10MVA. Ví dụ các mạng cung cấp điện trung và cao
áp và các hệ thống truyền động điện công suất lớn mắc vào nguồn áp lớn.
Mục đích chính của các bộ lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các sóng điều hòa
bậc cao dòng điện. Tốc độ đáp ứng bù lọc trong hệ thống ở khoảng hàng chục ms.
c. Các ứng dụng phạm vi công suất lớn và rất lớn:
Dãy công suất rất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền động
động cơ DC công suất rất lớn hoặc hệ thống truyền tải điện.
Bộ lọc tích cực ứng dụng cho phạm vi công suất lớn và rất lớn thì rất tốn kém
về mặt kinh tế vì đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị điện tử công suất có khả năng
đóng ngắt dòng điện ở công suất lớn và rất lớn.
2.2. Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực
2.2.1. Phân loại theo sơ đồ nguyên lý

2.2.1.1 Bộ lọc tích cực song song
Đặc điểm của bộ lọc tích cực (Active Filter) song song (AFn), có thể thực hiện
đồng thời một số chức năng sau:
+ Bù sóng điều hòa bậc cao dòng điện;
+ Bù công suất phản kháng;
+ Bù thành phần dòng điện không cân bằng.
Bộ lọc tích cực song song có cấu trúc nguyên lý làm việc như hình 2.3:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Nguồn cấp

IL

IT

Tải
phi
tuyến

IF

Bộ lọc tích cực

Hình 2.3: Bộ lọc tích cực song song

Chức năng của bộ lọc tích cực là triệt tiêu các sóng điều hòa dòng điện bậc
cao sinh ra bởi tải phi tuyến trên đường dây truyền tải nguồn điện, trả lại trên đường

dây truyền tải dòng điện hình sin chuẩn. Ngoài ra bộ lọc tích cực còn có thể bù
công suất phản kháng tại điểm nối giữa bộ lọc tích cực và lưới điện. Việc xác định
vị trí đặt bộ lọc cần phải được tính toán theo một số nguyên tắc sau:
- Giảm thiểu tối đa thời gian truyền, khoảng cách lan truyền của sóng điều hòa
trên đường dây. Điều này thực hiện bằng việc đặt thiết bị lọc gần nguồn sinh sóng
điều hòa bậc cao.
- Đặt thiết bị lọc giữa nguồn với các thiết bị nhạy cảm với sóng điều hòa để
hạn chế ảnh hưởng của sóng điều hòa tới thiết bị.
- Để thực hiện chức năng này bộ lọc tích cực hoạt động như một bộ nguồn ba pha
tạo dòng điện thích hợp bơm lên đường dây. Dòng này sẽ bao gồm hai thành phần:
+ Thành phần triệt tiêu các sóng điều hòa bậc cao sinh bởi tải phi tuyến:
Thành phần ngược pha với tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao.
+ Thành phần bù công suất phản kháng (CSPK).
Ta có thể phân tích thành phần dòng tải thành hai thành phần:

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




Thành phần sóng điều hòa cơ bản iF và thành phần gồm các sóng điều hòa bậc
cao ih:
iL= iF +ih

(2.1)

Do dòng của bộ lọc tích cực song song AFn bơm lên đường dây, nên ta có
quan hệ:
iC= ih

(2.2)

Khi đó dòng điện trên đường dây sẽ là:
iS= iL – iC = iL - ih = iF + ih -ih = iF

(2.3)

Như vậy, dòng điện trên đường dây chỉ chứa thành phần sóng điều hòa cơ bản,
các thành phần điều hòa bậc cao đã được bộ lọc loại bỏ (triệt tiêu).
Từ các biểu thức (2.1), (2.2) và (2.3) ta đưa ra được sơ đồ nguyên lý của bộ
lọc tích cực song song thể hiện như hình 2.4:

Hình 2.4: Cấu trúc bộ lọc song song

2.2.1.2 Bộ lọc tích cực nối tiếp
Bộ lọc tích cực nối tiếp (Active Filter - AFS), có thể thực hiện đồng thời một
số chức năng sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




+ Bù sóng điều hòa bậc cao điện áp;
+ Điều chỉnh và cân bằng điện áp tại điểm kết nối.
Chức năng của bộ lọc tích cực nối tiếp AFS là triệt tiêu thành phần sóng điều hòa
bậc cao sinh bởi tải phi tuyến để điện áp trên đường dây truyền tải của nguồn điện có
dạng sin chuẩn. Ngoài ra, nó còn có chức năng điều chỉnh và cân bằng điện áp.
Ta có sơ đồ khối cấu trúc nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực nối tiếp như
hình 2.5:

Nguồn cấp

Tải phi
tuyến

Bộ lọc tích cực

Hình 2.5: Bộ lọc tích cực nối tiếp
Để thực hiện các chức năng trên, bộ lọc tích cực nối tiếp AFS tạo ra sự cách ly
về sóng điều hòa bậc cao giữa tải và lưới thông qua việc tạo một điện áp tương ứng
dọc đường dây phía thứ cấp máy biến áp.
Ta có thể phân tích điện áp nguồn phía thứ cấp máy biến áp thành hai thành
phần: Thành phần sóng điều hòa điện áp cơ bản UF và thành phần các sóng điều hòa
điện áp bậc cao Uh như biểu thức (2.4):
U S = UF + U h

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

(2.4)




Điện áp dọc đường dây do bộ lọc tích cực nối tiếp AFS tạo ra ngược pha với
tổng sóng điều hòa điện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần này, đảm bảo điện áp
nguồn cung cấp cho các phụ tải có dạng sin chuẩn (sóng điều hòa cơ bản).
Ta có sơ đồ nguyên lý làm việc được thể hiện như hình 2.6:

Uh

Us

Us

=

Uh+UF

UF

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý làm việc của AFS

2.2.2. Phân loại theo nguồn cung cấp điện
Căn cứ vào nguồn cung cấp điện cho phụ tải, người ta chia bộ lọc tích cực
thành các loại:
- Bộ lọc tích cực 2 dây: Dùng cho loại phụ tải phi tuyến 01 pha.
- Bộ lọc tích cực 3 dây: Dùng cho loại phụ tải phi tuyến 3 pha không có dây
trung tính. Ta có sơ đồ nguyên lý sử dụng bộ lọc tích cực 3 dây cung với tải phi
tyến không có dây trung tính như hình 2.7:

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