Mô hình mạch lọc tích cực cho các dạng khác nhau của nguồn hài

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN TRUNG DŨNG

MƠ HÌNH MẠCH LỌC TÍCH CỰC CHO CÁC
DẠNG KHÁC NHAU CỦA NGUỒN HÀI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã chuyên ngành: 60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình đƣợc hồn thành tại Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Châu Minh Thuyên
Ngƣời phản iện : .......................................................................................................
Ngƣời phản iện : .......................................................................................................
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Hội đồng ch m ảo vệ uận văn thạc sĩ Trƣờng
Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ......................................................................... - Chủ tịch Hội đồng
2. ......................................................................... - Phản biện 1
3. ......................................................................... - Phản biện 2
4. ......................................................................... - Ủy viên
5. ......................................................................... - Thƣ ký
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

BỘ CƠNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Nguyễn Trung Dũng

Ngày, tháng, năm sinh:
Chuyên ngành:

10/05/1976

Kỹ Thuật Điện

MSHV:

16004481

Nơi sinh:

Quảng Ngãi

Mã chun ngành: 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“Mơ hình mạch lọc tích cực cho các dạng khác nhau của nguồn hài”
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Tìm hiểu tổng quan về mạch lọc.
 Mơ hình tốn và chiến lƣợc điều khiển cho mạch lọc tích cực cho các dạng khác
nhau của nguồn hài.
 Điều khiển cho mạch lọc tích cực cho các dạng khác nhau của nguồn hài.
 Các kết quả mô phỏng và thảo luận.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

30/01/2018

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

30/07/2018

IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Châu Minh Thuyên

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018 …
NGƢỜI HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Châu Minh Thuyên
TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành luận văn một cách hoàn chỉnh, ên cạnh sự nỗ lực cố gắng của
ản thân cịn có sự hƣớng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng nhƣ sự động viên ủng
hộ của gia đình và ạn è trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn
thạc sĩ.
Với tình cảm chân thành cho phép tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:


Khoa Công Nghệ Điện-Trƣờng Đại Học Công Nghiệp TP HCM, cùng các giảng

viên đã tận tình chỉ dạy và tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong q trình học tập, nghiên
cứu.


Đặc biệt tơi xin ày tỏ lịng iết ơn sâu sắc đến TS. CHÂU MINH THUYÊN –

ngƣời hƣớng dẫn và cũng là ngƣời đã ln tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và
động viên tôi trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn này.


Cảm ơn gia đình, ạn è và đồng nghiệp đã ln khích lệ, động viên và giúp đỡ

tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Mặc dù đã cố gắng r t nhiều, nhƣng khơng tránh khỏi những thiếu sót, tơi r t mong
nhận đƣợc sự thông cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của q Thầy Cơ, ạn è
và đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
TP HCM, tháng 07 năm 2018
Học viên thực hiện

Nguyễn Trung Dũng

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngày nay, v n đề ch t lƣợng điện năng đã và đang đƣợc các quốc gia trên thế giới quan
tâm và coi đây là một tiêu chí sống cịn của ngành điện. Theo đó, để giải quyết các v n
đề sóng hài, thì đầu tiên ngƣời ta sử dụng các mạch lọc thụ động (Passive Power
Filters-PPFs). PPF có c u tạo gồm các LC mắc nối tiếp với nhau và cộng hƣởng tại
một tần số nh t định, nó thƣờng đƣợc sử dụng để khử sóng hài và ù cơng su t phản
kháng. Mặc dù các mạch lọc thụ động có c u trúc đơn giản, rẻ tiền và dễ lắp ráp nhƣng
cũng có nhiều khuyết điểm nhƣ là: dễ xảy ra cộng hƣởng với lƣới điện, m t ổn định,
khó để cải thiện độ méo dạng sóng hài tổng và khả năng ù không linh hoạt. Để khắc
phục các nhƣợc điểm trên tiếp đến là ngƣời ta sử dụng các mạch lọc tích cực (Active
Power Filter – APF) để lọc sóng hài và ù công su t phản kháng. APF đã đƣợc sử dụng
trong một thời gian dài mặc dù nó cũng tồn tại nhiều khuyết điểm nhƣ là khó ứng dụng
trong các lƣới điện áp cao và công su t lớn. Từ đó mạch lọc tích cực dạng lai ghép
(Hybrid Active Power Filter –HAPF) ra đời nhƣ là một t t yếu. HAPF là sự tổ hợp của
cả APF và PPF, do đó nó có cả ƣu điểm của APF và PPF.
Luận văn này nhằm nghiên cứu một dạng mạch lọc tích cực, đó là mạch lọc tích cực lai
ghép dạng nối tiếp (Series Hybrid Active Power Filter-SHAPF). Đầu tiên là tìm hiểu về
các v n đề ch t lƣợng điện năng trong hệ thống điện, các tiêu chuẩn hài của quốc tế và
Việt Nam. Tiếp đến là tìm hiểu các phƣơng pháp loại trừ sóng hài, các phƣơng pháp
xác định dịng sóng hài trong hệ thống điện, phân tích mơ hình tốn và mơ hình điều
khiển cho mạch lọc tích cực lai ghép dạng nối tiếp, tổng quan các phƣơng pháp điều
khiển đã đƣợc dùng cho SHAPF. Từ đó, các mơ phỏng cho các trƣờng hợp: tải thay
đổi, tải không cân ằng, nguồn méo dạng và cả tải không cân bằng và nguồn méo dạng
đã đƣợc khảo sát và phân tích để th y rõ ƣu điểm của SHAPF. Các kết quả mô phỏng
đã chứng minh đƣợc hiệu quả của SHAPF trong việc lọc sóng hài và ù cơng su t phản

kháng.

ii

Comment [NMN1]: Câu đọc khó hiểu


ABSTRACT
Today, the issue of power quality is being considered by countries in the world as a
vital criterion of the electricity industry. In order to cancel with harmonic issues,
passive power filters (PPFs) are first used. PPF is composed of LCs that are connected
in series and resonate at a certain frequency, which is commonly used for harmonic
cancellation and reactive power compensation. Although passive filter circuits are
simple, inexpensive and easy to use. However, it has many disadvantages such as: grid
resonance, instability, difficulty in improving total harmonic distortion and the
inflexibility to compensate. To overcome these disadvantages, the next step is to use
Active Filter Filter (APF) for the harmonic filter and reactive power compensation.
APF has been used for a long time, although it also has many shortcomings as it is
difficult to apply in high voltage and high power grids. Hybrid Active Power Filter
(HAPF) was born as a necessity. HAPF is a combination of both APF and PPF, so it
has the advantages of APF and PPF.
This thesis aims to study a form of active power filter, which is Series Hybrid Active
Power Filter (SHAPF). The first is to learn about the power quality issues in the power
system, the international and Viet Nam harmonic standards. Next, study about methods
of harmonic cancellation, methods for determining harmonic currents in electrical
systems, analysis of mathematical models and control model for SHAPF. Since then,
simulations for the cases of load balancing, unbalanced loads, distortion sources and
both unbalanced loads and distortion sources have been investigated and analysed to
see the advantage of SHAPF. Simulation results have demonstrated the effectiveness of
SHAPF in harmonic filtering and reactive power compensation.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ b t kỳ một nguồn
nào và dƣới b t kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Học viên

Nguyễn Trung Dũng

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... VII
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................IX
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... X
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
. Đặt v n đề ................................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................. 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................. 2
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài...................................................................................... 3
CHƢƠNG

TỔNG QUAN MẠCH LỌC .................................................................... 4

1.1 Giới thiệu................................................................................................................ 4
1.2 Mạch lọc thụ động (Passive Power Filters) ........................................................... 9
1.3 Mạch lọc tích cực (Active Power Filter) .............................................................. 11
CHƢƠNG
MƠ HÌNH TỐN VÀ CHIẾN ƢỢC ĐIỀU KHIỂN CHO MẠCH
LỌC TÍCH CỰC CHO CÁC DẠNG KHÁC NHAU CỦA NGUỒN HÀI ................... 17
2.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 17
. Mơ hình tốn học ................................................................................................. 18
2.2.1 Sơ đồ khối và mạch tương đương của bộ lọc tích cực nối tiếp lai ghép ....... 18
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực dạng lai ghép và chiến lược điều
khiển ....................................................................................................................... 21
2.3 Kết luận ................................................................................................................ 29
CHƢƠNG 3
ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH MẠCH LỌC TÍCH CỰC CHO CÁC
DẠNG KHÁC NHAU CỦA NGUỒN HÀI .................................................................. 31
3.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 31
3. Điều khiển cho mạch lọc tích cực nối tiếp dạng lai ghép SHAPF ....................... 33
3.2.1 Khi chưa có mạch lọc.................................................................................... 33
3.2.2 Khi có mạch lọc tích cực ............................................................................... 34

v


3.2.3 Mạch tạo xung cho bộ nghịch lưu nguồn áp ................................................. 36
3.3 Kết luận ................................................................................................................ 40
CHƢƠNG 4

CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ............................ 42

4.1 Giới thiệu.............................................................................................................. 42
4.2 Kết quả mơ phỏng cho phƣơng pháp xác định dịng hài...................................... 42
4.3 Các kết quả mô phỏng cho hệ thống SHAPF....................................................... 47
4.4 Kết luận ................................................................................................................ 57
CHƢƠNG 5

CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............. 59

5. Các kết quả đạt đƣợc ............................................................................................ 59
5. Hƣớng phát triển của đề tài .................................................................................. 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 60
1.
2.

Kết luận .............................................................................................................. 60
Kiến nghị ............................................................................................................ 60

TÀI IỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 61
Ý ỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .............................................................. 65
Comment [NMN2]: Chƣơng 3, chƣơng 4 trình
ày thứ tự đề mục khơng logic

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình . Các kiểu mạch thụ động .................................................................................. 10
Hình . Sơ đồ nguyên lý của APF dạng song song...................................................... 13
Hình .3 C u trúc của một APF dạng nối tiếp ............................................................... 14
Hình .4 C u trúc của một HAPF dạng lai ghép ........................................................... 16

Hình . Sơ đồ khối của mạch lọc SHAPF .................................................................... 18
Hình 2.2 Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch lọc SHAPF ............................................................. 20
Hình .3 Chuyển đổi trục tọa độ abc-αβ ....................................................................... 24
Hình .4 Phƣơng pháp p-q ............................................................................................. 25
Hình .5 Phƣơng pháp ip-iq ............................................................................................ 28
Hình 3. Khi chƣa có mạch lọc ...................................................................................... 33
Hình 3. Mạch lọc tích cực nối tiếp dạng lai ghép SHAPF ........................................... 34
Hình 3.3 Mơ hình mạch lọc thụ động ............................................................................ 35
Hình 3.4 Mạch tạo xung kích cho ộ nghịch lƣu ........................................................... 37
Hình 3.5 Giản đồ điều chế độ rộng xung ....................................................................... 38
Hình 3.6 Sơ đồ đo đạc dòng hài Isah, Is h và Isch ........................................................ 39
Hình 3.7 Sơ đồ điều khiển điện áp us DC .................................................................... 40
Hình 4. Các dạng sóng khi nguồn là lý tƣởng.............................................................. 42
Hình 4. Phân tích FFT của thành phần cơ ản dịng tải .............................................. 43
Hình 4.3 Các dạng sóng với phƣơng pháp ip-iq .............................................................. 44
Hình 4.4 Kết quả phân tích FFT của thành phần cơ ản dịng tải ................................. 45
Hình 4.5 Các dạng sóng với phƣơng pháp p-q .............................................................. 46
Hình 4.6 Phân tích FFT của thành phần cơ ản dịng tải với phƣơng pháp p-q ............ 47
Hình 4.7 Các kết quả mô phỏng khi tải không thay đổi, nguồn lý tƣởng ...................... 48
Hình 4.8 Các điện áp đặt lên tải ..................................................................................... 48
Hình 4.9 Phân tích FFT của dịng tải và dịng nguồn .................................................... 49
Hình 4.10 Các kết quả mô phỏng trong trƣờng hợp tải thay đổi nguồn lý tƣởng .......... 50
Hình 4. Các điện áp đặt lên tải ................................................................................... 51
Hình 4. Các dạng sóng khi nguồn thay đổi, tải khơng thay đổi ................................. 52
Hình 4. 3 Các điện áp đặt lên tải ................................................................................... 53
Hình 4. 4 Các dạng sóng trong trƣờng hợp nguồn thay đổi, tải thay đổi ...................... 54
Hình 4. 5 Dịng nguồn trƣớc khi tải thay đổi ................................................................ 55
Hình 4. 6 Dịng nguồn sau khi tải thay đổi ................................................................... 56
vii

Hình 4. 7 Các điện áp đặt lên tải ................................................................................... 57

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng . Các giới hạn méo dạng dòng điện cho các hệ thống phân phối 120V–69KV.. 7
Bảng . Các giới hạn méo dạng dòng điện cho các hệ thống phân phối 69 –161KV ... 8
Bảng 1.3 Các giới hạn dòng điện cho hệ thống truyền tải > 161KV ............................... 8
Bảng .4 Các giới hạn méo dạng điện áp......................................................................... 8
Bảng 4.1 THD của dòng tải và dòng nguồn ................................................................... 49
Bảng 4.2 THD của dòng nguồn và tải ............................................................................ 50
Bảng 4.3 THD của các dòng nguồn ............................................................................... 52
Bảng 4.4 THD của dòng nguồn trƣớc khi tải thay đổi ................................................... 55
Bảng 4.5 THD của dòng nguồn sau khi tải thay đổi ...................................................... 56

ix


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

APF

Active Power Filter

Lọc tích cực

CSI

Current source inverter

Bộ nghịch lƣu nguồn dịng

FFT

Fast Fourier Transform

Phân tích chuỗi Fourier

HAPF

Hybrid Active Power Filter

Lọc lai ghép

SHAPF

Series Hybrid Active Power Filter

Lọc lai ghép nối tiếp

Passive Power Filters

Lọc thụ động

PWM

Pulse width modulation

Điều chế độ rộng xung

TCR

Thyristor controlled reactor

Bộ đk ù dùng thyristor

THD

Total Harmonic Distortion

Tổng méo dạng sóng hài

VSI

Voltage Source Inverter

Bộ nghịch lƣu nguồn áp

PPF

x

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trên lƣới điện truyền tải hiện nay có r t nhiều phần tử phi tuyến, dẫn tới làm xu t hiện
các thành phần sóng hài. Các thành phần sóng hài này gây ra nhiều tác hại nghiêm
trọng nhƣ làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công su t, ảnh hƣởng tới các thiết bị tiêu
dùng điện, làm giảm ch t lƣợng điện năng...
Do đó để nâng cao ch t lƣợng điện năng thì ta phải giới hạn đƣợc sóng hài trên lƣới
theo các tiêu chuẩn tiêu chuẩn IEEE std 519 [1], việc tuân theo các tiêu chuẩn này là
bắt buộc để đảm bảo ch t lƣợng điện năng. Sự hiện diện của các thành phần sóng hài
trong hệ thống s là nguyên nhân của các v n đề: tổn th t công su t, méo dạng điện áp,
quá nhiệt

, để loại trừ các thành phần sóng hài trong hệ thống ngƣời ta thƣờng sử

dụng các mạch lọc thụ động Passive Power Filters - PPFs) [2 các linh kiện mạch lọc
là khá lớn ởi vì các thành phần sóng hài loại trừ thƣờng là các mạch lọc thông th p
(3rd, 5th, 7th). Hơn nữa, đặc tuyến ù của những mạch lọc này ị ảnh hƣởng ởi trở
kháng nguồn, ởi vậy nó r t dễ xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng giữa trở kháng của mạch
lọc thụ động PPF và trở kháng của nguồn. Mặc khác, các PPF chỉ có khả năng ù cố
định. Nếu tải thay đổi trong một dãi rộng các thông số thiết kế của PPF s khơng cịn
đúng. do đó, để cải thiện các khuyết điểm của PPF thì mạch lọc tích cực Active Power
Filter – APF) [3].
Cùng với sự phát triển của cơng nghiệp là sự phát triển ngày càng nhanh chóng của phụ
tải, tính ch t của tải cũng r t đa dạng. Các phụ tải đa phần là các tải phi tuyến, tải cũng
thay đổi liên tục theo chế độ làm việc và quy trình cơng nghệ. Do đó mơ hình mạch lọc
tích cực dạng lai ghép HAPF 4 ,có thể sử dụng với mọi trƣờng hợp của tải và trong
trƣờng hợp nguồn méo dạng

ởi vậy, nghiên cứu về thiết kế, tính tốn và điều khiển

1


cho mạch lọc tích cực nối tiếp dạng lai ghép có ý nghĩa c p thiết góp phần vào việc
nâng cao hiệu quả làm việc của mạch lọc sóng hài đó là lý do chọn đề tài này.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Phƣơng pháp xác định sóng hài có tính chính xác cao khi nguồn là méo dạng khơng
cân ằng và tải thay đổi trong mạng hệ thống ba pha.
- Tìm ra các thơng số để điều khiển cho mạch lọc tích cực dạng lai ghép.
- Chọn phƣơng pháp để điều khiển cho mạch lọc tích cực dạng lai ghép theo sự thay
đổi của tải và nguồn có hiệu quả.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu. Nghiên cứu về các loại nguồn sóng hài và cách triệt tiêu các
nguồn sóng hài đó.
- Phạm vi nghiên cứu. Nghiên cứu trên lý thuyết về cách xác định sóng hài, phân tích
và tính tốn các thơng số mơ hình, điều khiển nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả làm
việc của mạch lọc tích cực nối tiếp dạng lai ghép.

4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
- Cách tiếp cận:
Tính tốn các thuật tốn và sử dụng phần mềm PSIM, Matla

để thiết kế và mô phỏng

l y kết quả.
- Phƣơng pháp nghiên cứu:
Phân tích các phƣơng pháp xác định hài, từ đó th y đƣợc ƣu và khuyết điểm của nó và

chọn ra phƣơng pháp xác định sóng hài có tính chính xác hơn

2


Xây dựng mơ hình tốn của mạch lọc tích cực nối tiếp dạng lai ghép, từ đó đƣa ra
chiến lƣợc điều khiển tổng quan, sao cho giải quyết đƣợc các v n đề hiệu quả cao trong
lọc sóng hài cho các trƣờng hợp tải và nguồn thay đổi.
Cuối cùng là mô phỏng kiểm nghiệm phƣơng pháp điều khiển đƣợc đƣa ra và đánh giá
hiệu quả của phƣơng pháp mạch lọc tích cực nối tiếp dạng lai ghép cho các trƣờng hợp
tải và nguồn thay đổi.

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Có thể dùng làm tài liệu giảng dạy cho môn điện tử công su t và ch t lƣợng điện
năng.
- Có thể dùng làm tài liệu tham khảo để thực hiện tính tốn cho và thi cơng thực tế.

3


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN MẠCH LỌC

1.1 Giới thiệu
Trên lƣới điện truyền tải hiện nay, có r t nhiều phần tử phi tuyến, dẫn tới làm xu t hiện
các thành phần sóng hài các thiết bị điện tử công su t nhƣ iến tần, chỉnh lƣu,

. Các

thành phần sóng hài này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng nhƣ: làm tăng tổn hao, làm
giảm hệ số công su t, ảnh hƣởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm ch t lƣợng
điện năng...
Do đó để nâng cao ch t lƣợng điện năng thì ta phải giới hạn đƣợc sóng hài trên lƣới
theo các tiêu chuẩn ch t lƣợng quốc tế về nguồn điện. Ch t lƣợng điện năng, độ méo
dạng dòng điện tổng và các tiêu chuẩn của IEEE [1] liên quan đến giới hạn sóng hài.
Việc tuân theo các tiêu chuẩn này là ắt buộc để đảm bảo ch t lƣợng điện năng. Có
nhiều giải pháp khác nhau để hạn chế sóng hài trên lƣới, một trong số đó là sử dụng bộ
lọc thụ động (Passive Power Filter – PPF) [2], mạch lọc tích cực (Active Power Filter –
APF) [3].
Bộ lọc thụ động PPF đơn giản dể thiết kế nhƣng chỉ lọc những bậc hài th p cố định dể
bị cộng hƣởng cịn ộ lọc tích cực APF phức tạp hơn khó thiết kế thƣờng dùng để lọc
các ậc hài cao và công su t th p.
Việc lai ghép giữa mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực. Bởi vì, nó có ƣu điểm của
cả PPF và APF. Cuối cùng, mục tiêu và phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc đƣa ra.
Mạch lọc tần số là một bộ phận r t quan trọng trong kĩ thuật mạch điện tử. Một cách
định tính có thể định nghĩa mạch lọc tần số là những mạch cho những dao động tần số
một hay một số khoảng nh t định và chặn những dao động trong những khoảng còn lại.

4


Về mặt kết c u có thể Mạch lọc là mạch xử lý tín hiệu dựa vào sự phụ thuộc tần số của
các tham số mạch. Bộ lọc có vai trò quan trọng trong các mạch điện tử những phần tử
cơ sở trong mạch lọc gồm điện trở (R), tụ điện C), và cuộn cảm (L).
Hầu hết các tải trong hệ thống điện đều là tải phi tuyến, dẫn đến dòng nguồn cũng méo
dạng theo dòng tải và trễ pha so với điện áp nguồn. Sự méo dạng này đƣợc so sánh với
sóng Sin tần số 50Hz. Theo phân tích Fourier thì

t kỳ dạng sóng nào cũng có thể

phân tích thành tổng của các dạng sóng Sin có tần số và iên độ khác nhau.
Một dạng sóng

t kỳ có thể đƣợc biểu diễn nhƣ là tổng hợp các thành phần sin, bao

gồm: thành phần cơ ản (f = 50Hz) và các thành phần là ội số của thành phần cơ ản
(gọi là các thành phần hài), đây là thành phần làm cho dạng sóng trên méo dạng so với
sóng Sin tần số 50Hz. Độ méo dạng hài tổng (Total Harmonic Distortion - THD) là chỉ
số đo phổ biến nh t để chỉ ra sự méo dạng sóng hài của một dạng sóng. Giá trị THD
đƣợc áp dụng cho cả dịng điện và điện áp và đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa tổng căn
bậc hai ình phƣơng giá trị hiệu dụng (rms) của t t cả các sóng hài chia cho giá trị rms
của thành phần cơ ản, sau đó nhân với 00% nhƣ minh họa trong phƣơng trình sau:


THD 

I
h 1

I1

2
h

100%
(1-1)

Ih : Giá trị RMS của các thành phần hài
I1 : Giá trị RMS của thành phần cơ ản

Giá trị THD của điện áp thƣờng th p hơn 5%. THD điện áp dƣới 5% đƣợc ch p nhận
theo các tiêu chuẩn tiêu chuẩn IEEE std 519 [1], trong khi các giá trị trên 0% chắc
chắn là không thể ch p nhận.

5


Ch t lƣợng điện nặng trong hệ thống điện đƣợc hiểu là: Tần số và điện áp ở xác lập,
điện áp vọt lố, nối đ t, sóng hài, quá độ giám sát và đo lƣờng... Để đánh giá ch t lƣợng
của một hệ thống điện, các quốc gia và các tổ chức quốc tế đã phát triển một loạt các
tiêu chuẩn ch t lƣợng. Theo đó để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động tin cậy, để bảo vệ
môi trƣờng điện và ngƣời tiêu điện thì tổ chức American Instute of Electrical and
Electronic Engineers Inc. IEEE) năm 99 đã đƣa ra các yêu cầu trong việc điều khiển
giảm dòng hài trong hệ thống điện (IEEE Std. 519-1992) [1 và kết quả giám sát năm
1992 IEEE Recommended Practice for Monitoring Power Quality (IEEE Std.11591992). Một tiêu chuẩn khác đƣợc đƣa ra là: International Electrotechnical Commission
IEC). Tiêu chuẩn IEC bao gồm: các tiêu chuẩn sóng hài, đo lƣờng và kiểm tra (IEC
61000-4-7), (IEC 6100-4- 5) và IEC 6 00-4-30). IEC 6100-4-30 định nghĩa các tiêu
chuẩn đo đạt ch t lƣợng điện năng cho lƣới 50 Hz và 60 Hz. Trong luận văn này, sử
dụng tiêu chuẩn hài IEEE 519- 1992 [1] để đánh giá ch t lƣợng điện năng sau khi sử
dụng chiến lƣợc điều khiển hay phƣơng pháp điều khiển. Các ảng từ . đến 1.3 biểu
diễn các giới hạn dòng sóng hài theo IEEE 5 9- 99 cho các mức điện áp khác nhau.
Bảng 1.4 biểu diễn các mức điện áp hài. Trong đó Isc là dịng sự cố và IL là dòng yêu
cầu lớn nh t, h là ậc hài, THD là tổng độ méo dạng hài.

6


Bảng 1.1 Các giới hạn méo dạng dòng dòng điện cho các hệ thống
phân phối 120V – 69 KV
% méo dạng hài lớn nhất của IL

Các bậc hài khác nhau (Odd Harmonic)
h< 11

11 ≤ h < 1

1 ≤ h < 23

23 ≤ h< 35

h ≥ 35

THD %

< 20

4.0

2.0

1.5

0.6

0.3

5

20 – 50

7.0

3.5

2.5

1.0

0.5

8

50 – 100

10.0

4.5

4.0

1.5

0.7

12

100– 1000

12.0

5.5

5.0

2.0

1.0

15

≥ 000

15.0

7.0

6.0

2.5

1.4

20

Isc/ IL

7


Bảng 1.2 Các giới hạn méo dạng dòng điện cho các hệ thống phân phối 69 – 161 KV
Phần trăm méo dạng hài lớn nhất của IL

Các bậc hài khác nhau (Odd Harmonic)
< 11

11 ≤ h < 1

1 ≤ h < 23

23 ≤ h< 35

h ≥ 35

THD %

< 20

2.0

1

0.75

0.3

0.15

2.5

20 – 50

3.5

1.75

1.25

0.5

0.25

4.0

50 – 100

5

2.25

2

0.75

0.35

6.0

100– 1000

6

2.75

2.5

1

0.5

7.5

≥ 000

7.5

3.5

3

1.25

0.7

10

Isc/ IL

Bảng 1.3 Các giới hạn dòng điện cho hệ thống truyền tải > 161 KV
Phần trăm méo dạng hài lớn nhất của IL
Các bậc hài khác nhau (Odd Harmonic)
h< 11

11 ≤ h < 1

1 ≤ h < 23

23 ≤ h< 35

h ≥ 35

THD %

50

2.0

1.0

0.75

0.3

0.15

2.5

≥ 50

3.0

1.5

1.15

0.45

0.22

3.75

Isc/ IL

Bảng 1.4 Các giới hạn méo dạng điện áp
Bus voltage at PCC

Individua Harmonic

Total Voltage Distorion

Magnitude (%)

(THD in %)

≤ 69 kV

3.0

5.0

69 – 161 kV

1.5

2.5

161 kV

1

1.5

8




Ảnh hƣởng của sóng hài đến ch t lƣợng điện năng:

Sóng hài đƣợc mang theo trong q trình truyền tải, phân phối điện năng. Các thiết bị
điện đa phần là các tải phi tuyến. Các tải hỗn hợp s là nguyên nhân làm cho méo độ
lệch pha của dòng điện và điện áp. Đây là các tác hại của sự méo dạng sóng hài gây ra
trên hệ thống điện:
- Quá nhiệt máy iến áp truyền tải và phân phối.
- Tăng tổn th t công su t trên đƣờng dây truyền tải.
- Sai lệch điện áp.
- Sai lệch tần số lƣới điện.
- Dao động điện áp.
1.2 Mạch lọc thụ động (Passive Power Filters)
Mạch lọc chỉ gồm các linh kiện thụ dộng nhƣ điện trở R, cuộn cảm L, tụ điện C. Thơng
thƣờng có 3 loại mạch lọc chính: mạch lọc RC, mạch lọc LC, mạch lọc RLC.
Đây là giải pháp truyền thống đơn giản nh t để loại trừ các v n đề hài trên hệ thống
điện. Giải pháp này đƣợc sử dụng r t phổ biến bởi vì tính đơn giản, giá thành th p và

dễ sử dụng của nó. Các mạch lọc thụ động PPFs) có hai dạng chính là: Tuned filter và
High-pass filter .

9


C1

C

(a)

L2
R3

C1

C1
C2

R1

L

R

C
C

L1

L

R

C2

R

L

R

C2
R

L

R2

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Hình .1 Các kiểu mạch thụ động
Mạch lọc cộng hƣởng đơn single-tuned filter) là dạng phổ biến nh t và kinh tế nh t
của mạch lọc thụ động. Nó ao gồm một điện dung C mắc nối tiếp với một cuộn dây
biễu diễn nhƣ ở Hình .1(a). Chức năng của nó là cho các các tín hiệu có tần số th p
hơn tần số cộng hƣởng đi qua và chặn lại các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cộng
hƣởng. Trở kháng của mạch lọc cộng hƣởng đơn tại bậc hài nth là:
ZTn  R  j (ns L 

1
ns C

)

(1-2)

Trong đó: ωs là tần số góc cơ ản
Khi đó tần số cộng hƣởng của mạch lọc là:
f0 

1
2 LC

(1-3)

Và hệ số ch t lƣợng của mạch lọc đƣợc định nghĩa là:
Q

0 L
R



1

0 RC

(1-4)

Giá trị của R có thể đƣợc lựa chọn bằng cách chọn một giá trị thích hợp của hệ số ch t
lƣợng trong phạm vi 3010


Một dạng khác của PPF nữa là mạch lọc thông cao high-pass power filter - HPPF).
HPPF biễu diễn nhƣ ở Hình 1.1(c-e). Mạch lọc bậc nh t HPF đƣợc biểu diễn nhƣ
Hình .1c, nó đƣợc đặc trƣng ởi tổn th t công su t lớn tại tần số cơ ản, bởi vậy nó ít
đƣợc sử dụng. Mạch lọc bậc hai HPF Hình .1d) có đặc tính lọc tốt, sử dụng đơn giản,
tổn th t tại tần số cơ ản giảm [10]. Hiệu quả lọc của mạch lọc bậc a HPF Hình .1e)
là tốt hơn mạch lọc bậc hai HPF. Tuy nhiên, mạch lọc bậc a HPF thì khơng đƣợc
dùng rộng rãi cho điện áp trung ình và th p bởi tính kinh tế và phức tạp của nó. Mặc
dù các PPFs có c u trúc đơn giản và giá thành th p, PPFs cũng tồn tại nhiều khuyết
điểm nhƣ là: cộng hƣởng, m t ổn định và không linh hoạt, PPF có kích thƣớc lớn bởi vì
các sóng hài cần triệt tiêu là các hài ậc th p (3rd, 5th, 7th). Hơn nữa, các đặc tuyến ù
của mạch lọc thụ động là đƣợc ảnh hƣởng bởi trở kháng nguồn. Bởi vậy, nó r t dễ xảy
ra cộng hƣởng với trở kháng hệ thống.
Tuy nhiên, các PPF chỉ có khả năng ù cố định. Nếu tải thay đổi trong phạm vi rộng thì
các thơng số thiết kế s khơng cịn đúng. Từ nhƣợc điểm này, mạch lọc tích cực (APF)
ra đời để khắc phục các nhƣợc điểm của PPF. APF có khả năng triệt sóng hài và ù
cơng su t phản kháng online theo sự thay đổi của tải.
Nhìn chung mạch lọc thụ động thƣờng đƣợc chọn lọc tần số cao > 100KHz do hạn chế

của các giá trị linh kiện. Dù đơn giản và dễ lắp, song nhƣợc điểm của mạch lọc này là
phẩm ch t mạch th p, làm suy giảm năng lƣợng qua nó mà khơng có khả năng khuếch
đại, khó phối hợp tổng trở khi lắp vào các mạch chức năng khác.
1.3 Mạch lọc tích cực (Active Power Filter)
Khái niệm của mạch lọc tích cực đƣợc đƣa ra đầu tiên ởi Sasaki và Machida vào 97
và đƣợc sử dụng rộng rãi trong ù công su t phản kháng và đƣợc triệt. Nguyên tắc cơ
bản của APF là dựa vào dòng hài tải để điều khiển APF tạo ra một tín hiệu ù lên lƣới
để triệt tiêu các hài đƣợc phát ra từ các tải phi tuyến. T t cả các APF là đƣợc phát triển
với các ộ điều chế độ rộng xung PWM dùng nguồn áp hoặc nguồn dòng.[7]

11


APF có nhiều ƣu điểm so với mạch lọc thụ động nhƣ là: nó có thể triệt sóng hài và ù
cơng su t phản kháng, nó khơng gây ra hiện tƣợng cộng hƣởng trở kháng giữa nguồn
và trở kháng của nó. Tuy vậy, các APF cũng tồn tại các khuyết điểm nhƣ là: giá thành
cao, khó ứng dụng trong lƣới điện áp cao, trung và dòng lớn.
Dựa vào c u trúc của bộ nghịch lƣu, sơ đồ điều khiển, đặc tuyến ù mà mạch lọc tích
cực có thể phân ra các loại sau đây:

Formatted: Vietnamese

Phân loại theo c u trúc kết nối: mạch lọc tích cực song song (Shunt APF hoặc Parallel
APF) hoặc kết hợp (unified APF or universal APF), mạch lọc tích cực nối tiếp (Series
APF), ngồi ra cịn có c u hình lai hybrid) giữa mạch lọc tích cực và mạch lọc thụ
động.
APF dạng song song (Shunt Active Power Filter): Đây là c u trúc phổ thông nh t và
đƣợc ứng dụng rộng rãi nh t cho lọc sóng hài và ù cơng su t phản kháng trong các
lƣới điện hạ áp với một c u trúc đơn giản, dễ điều chỉnh điện áp us DC và hiệu quả
giảm độ méo dạng hài tồng r t tốt. C u trúc của một APF dạng song song bao gồm:

một bộ nghịch lƣu nguồn áp a pha VSI) hoặc bộ nghịch lƣu nguồn dòng a pha
CSI), điện dung us DC và mạch lọc đầu ra Lf. Bộ nghịch lƣu nguồn áp đƣợc mắc
song song với tải phi tuyến để ù một tín hiệu giống với tín hiệu dịng hài của tải tạo ra.
Hình 1.2 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của một APF dạng song song. APF dạng song song
đƣợc xem nhƣ là một nguồn có khả năng điều khiển đƣợc để ù các dòng hài tạo ra từ
tải phi tuyến. APF ù dòng hài vào lƣới bằng với dòng hài của tải nhƣng ngƣợc d u.
Kết quả là làm cho dịng nguồn khơng có méo dạng và trở thành sin lý tƣởng 50 Hz và
cùng pha với điện áp nguồn. Hơn nữa, mạch lọc tích cực dạng song song cũng có thể
ù cơng su t phản kháng và đƣa hệ số công su t cosφ về gần bằng 1. Trên Hình .3 ta
ký hiệu:
is là dịng nguồn

12