Thiết kế và điều khiển mạch lọc tích cực dạng song song

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

NGUYỄN THANH TUYỀN

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MẠCH LỌC TÍCH
CỰC DẠNG SONG SONG

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: .........................................................................................
Ngƣời

1: .......................................................................................................

Ngƣời

.......................................................................................................

Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 23 tháng 09 năm 2018
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 CN 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 Thanh Tuyền
Ngày, tháng, năm sinh:06/06/1983
Chuyên ngành:Kỹ Thuật Điện

MSHV:16002601
Nơi sinh:Thái Bình
Mã chuyên ngành:60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Thiết kế và điều khiển mạch lọc tích cực dạng song song
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ: Tìm hiểu về mục tiêu và hƣớng đi của đề tài. Tìm nguồn tài liệu, phần
mềm hỗ trợ cho việc thực thi đề tài. Bám sát những hƣớng dẫn của giáo viên hƣớng

dẫn, từ đó xây dựng sƣờn của luận văn.
Nội dung: Luận văn bao gồm 6 chƣơng chính nghiên cứu, phân tích, đƣa ra giải
pháp cho việc loại trừ sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo quyết định số 552/QĐ-ĐHCN ngày
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 25 tháng 7 năm 2018
NGƢỜI HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA CN ĐIỆN


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Cơng nghiệp
TP.HCM, Phịng Quản lý Sau Đại Học, đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tơi hồn
thành khóa học. Tơi xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô phụ trách các bộ mơn
trong suốt khóa học đã hƣớng dẫn tận tình các môn học. Tôi xin cảm ơn các Thầy,
Cô trong Hội đồng bảo vệ luận văn, Hội đồng bảo vệ đề cƣơng đã theo dõi bài trình
bày của Tơi và gửi cho Tôi những ý kiến đánh giá giúp cho bài luận văn đƣợc hồn
thiện tốt hơn. Và Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy hƣớng dẫn Tiến sĩ Châu Minh
Thun đã hƣớng dẫn Tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn.

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong hệ thống điện của các nƣớc trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam vấn đề quan
tâm hàng đầu là chất lƣợng điện năng cung cấp. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến chất
lƣợng điện năng xấu đi, trong đó có sự đóng góp của sóng hài, đã có nhiều giải pháp
nghiên cứu về phƣơng pháp loại bỏ sóng hài trong lƣới điện đƣợc đƣa ra. Trong
luận văn này chỉ đi xem xét thiết kế các thơng số của mạch lọc tích cực dạng song
song, đƣa ra chiến lƣợc điều khiển mạch lọc và phƣơng pháp ổn định điệ áp Bus
DC, đƣợc tính tốn với một nguồn cân bằng không méo dạng và tải không thay đổi.
Nội dung bài luận văn này gồm 6 chƣơng. Chƣơng 1 trình bày tổng quan về các
mạch lọc sóng hài, những ảnh hƣởng của sóng hài tới lƣới điện, các tiêu chuẩn cho
phép về sóng hài đối với lƣới điện. Nội dung chƣơng 2 trình bày phƣơng pháp xác
định sóng hài p – q, phân tích và mơ phỏng kết quả của phƣơng pháp này đối với
nguồn đối xứng và méo và không méo dạng, lựa chọn phƣơng pháp xác định hài p q cho lƣới điện có nguồn đối xứng và không méo dạng. Nội dung chƣơng 3 giới
thiệu các nghiên cứu về tính tốn tối ƣu cho thiết kế các dạng mạch lọc tích cực và
chọn thuật tốn di truyền (GA) để áp dụng tính tốn tối ƣu cho các thơng số của
mach lọc tích cực dạng song song (SAPF). Nội dung chƣơng 4 giới thiệu về phƣơng
pháp ổn định điện áp bus DC. Phân tích về sự biến đổi của điện áp DC trong hệ
thống SAPF. Đƣa ra phƣơng pháp ổn định điện áp bus DC dựa vào nguyên lý nạp,
xả điện áp của tụ điện và phân tích chiến lƣợc điều khiển đã đƣợc lựa chọn và tính
tốn ở chƣơng 3 cho SAPF và đƣa ra các thông số mô phỏng. Các kết quả mô
phỏng đã chứng minh đƣợc rằng: Chiến lƣợc điều khiển đƣợc chọn và các thông số
theo phƣơng pháp GA cho kết quả tốt hơn so với phƣơng pháp truyền thống.
Chƣơng 5 tổng kết các kết quả đạt đƣợc của luận văn và hƣớng phát triển của luận
văn.

ii


ABSTRACT
In the power system of countries in the world as well as in Vietnam, the top concern
is the quality of power supply. There are many reasons for the deterioration in

power quality, including the contribution of harmonics. There have been many
researches on how to remove harmonics in the grid. In this thesis, the design of the
parameters of parallel active filter circuits only, provides the filter control strategy
and the DC-bus voltage stabilization method, which calculated with a balanced
source without distortion and load do not change. The content of this thesis consists
of chapter 6. Chapter 1 presents an overview of the harmonic filters, the effects of
harmonics on the grid, the harmonics tolerance standards for the grid. The content
of chapter 2 presents the method of determining p - q harmonics, analyzing and
simulating the results of this method for symmetric and distortion sources without
distortion, choosing the method of determining p - q harmonics. The grid is
symmetrical and does not distort. Chapter 3 introduces the optimal computational
studies for the design of positive filter circuits and selects the genetic algorithm
(GA) to apply optimal calculations for the parameters of the active filter (SAPF).
Chapter 4 introduces the method of stabilizing the DC bus voltage. Analysis of the
variation of DC voltage in the SAPF system. Introduce a method of stabilizing the
DC bus voltage based on the charging principle, discharge voltage of the capacitor
and analyzing the control strategy selected and calculated in chapter 3 for SAPF and
providing the simulation parameters. The simulation results demonstrate that:
Control strategy selected and GA parameters give better results than traditional
methods. Chapter 5 summarizes the results of the dissertation and the direction of
the thesis.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn là nghiên cứu của tôi không sao chép nội
dung của cá nhân nào. Những kết quả và kết luận có đƣợc là do tơi thực hiện.
Học viên

Nguyễn Thanh Tuyền

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1.

Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 2

3.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2

4.

Cách tiếp cận và mục tiêu nghiên cứu ........................................................... 3

5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................................... 3

CHƢƠNG 1
1.1

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

Giới thiệu ....................................................................................................... 4

1.1.1 Chất lƣợng điện năng .............................................................................. 4
1.1.2 Ảnh hƣởng của sóng hài tới lƣới điện ..................................................... 9
1.1.3 Các phƣơng pháp loại trừ sóng hài .......................................................... 9
1.2

Mạch lọc thụ động ......................................................................................... 9

1.3

Mạch lọc tích cực ........................................................................................ 11

1.3.1 APF dạng song song .............................................................................. 11
1.3.2 APF dạng nối tiếp .................................................................................. 13
1.3.3 Mạch lọc tích cực lai ghép dạng song song........................................... 14
CHƢƠNG 2

PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH DÕNG HÀI .................................. 16

2.1

Giới thiệu ..................................................................................................... 16

2.2

Biến đổi hệ trục a-b-c sang hệ αβ ................................................................ 16

2.3

Phƣơng pháp xác định hài p – q .................................................................. 18

2.4

Các kết quả mô phỏng ................................................................................. 20

2.5

Kết luận........................................................................................................ 24

CHƢƠNG 3
TỐI ƢU HĨA ĐA MỤC TIÊU CÁC THƠNG SỐ CỦA MẠCH
LỌC TÍCH CỰC DẠNG SONG SONG................................................................... 25

v


3.1

Giới thiệu ..................................................................................................... 25

3.2

Thiết kế tối ƣu hóa mạch lọc tích cực dạng song song ............................... 26

3.3

Kết luận........................................................................................................ 31

CHƢƠNG 4
ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP BUS DC VÀ ĐIỀU KHIỂN MẠCH LỌC
TÍCH CỰC DẠNG SONG SONG............................................................................ 32
4.1

Giới thiệu về phƣơng pháp ổn định điện áp bus DC ................................... 32

4.1.1 Phân tích sự thay đổi điện áp bus DC trong hệ thống SAPF ................ 32
4.1.2 Phƣơng pháp đƣợc đề xuất .................................................................... 40
4.2

Điều khiển mạch lọc tích cực dạng song song ............................................ 42

4.3

Các kết quả mô phỏng ................................................................................. 45

4.3.1 Kết qủa mô phỏng mạch lọc tích cực dạng song song theo phƣơng
pháp truyền thống .............................................................................................. 45
4.3.2 Kết quả mơ phỏng mạch lọc tích cực dạng song song theo phƣơng
pháp đề xuất ...................................................................................................... 49
4.4

Kết luận........................................................................................................ 55

CHƢƠNG 5

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN.................. 56

5.1

Kết quả đạt đƣợc .......................................................................................... 56

5.2

Hƣớng phát triển .......................................................................................... 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 58
1.

Kết luận........................................................................................................ 58

2.

Kiến nghị ..................................................................................................... 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 59
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN ......................................................... 62

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Phân tích Fourier của một dạng sóng méo dạng .......................................... 5
Hình 1.2 Các kiểu mạch thụ động ............................................................................. 10

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của APF dạng song song ................................................. 12
Hình 1.4 Dịng nguồn gàn lý tƣởng khi APF hoạt động ........................................... 13
Hình 1.5 Cấu trúc của một APF dạng nối tiếp .......................................................... 14
Hình 1.6 Cấu trúc của SHAPF .................................................................................. 15
Hình 1.7 Sự tổ hợp của APF mắc nối tiếp và mạch thụ động song song.................. 15
Hình 2.1 Hệ trục tọa độ abc và αβ ............................................................................ 16
Hình 2.2 Phƣơng phápxác định sóng hài p -q ........................................................... 18
Hình 2.3 Kết quả phƣơng pháp xác định hài p – q .................................................. 21
Hình 2.4 Kết quả phân tích FFT dịng điện tải.......................................................... 22
Hình 2.5 FFT dạng sóng của thành phần cơ bản....................................................... 23
Hình 3.1 Cấu trúc của SAPF ..................................................................................... 26
Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển của SAPF ............................................................... 26
Hình 3.3 Sơ đồ thuật tốn tối ƣu hóa đa mục tiêu dựa trên GA cho SAPF .............. 30
Hình 4.1 Hệ thống SAPF .......................................................................................... 33
Hình 4.2 Sơ đồ của phần chỉnh lƣu cho SAPF ......................................................... 33
Hình 4.3 Mạch điện tƣơng đƣơng của nhánh thêm vào ............................................ 36
Hình 4.4 Phƣơng pháp ổn định điện áp bus DC đề xuất ........................................... 40
Hình 4.5 Mạch điện tƣơng đƣơng một pha khi xét nguồn áp của biến tần ............... 43
Hình 4.6 Mạch điện tƣơng đƣơng một pha khi xét trong miền hài tải...................... 44
Hình 4.7 Chiến lƣợc điều khiển dựa theo dịng hài tải ............................................. 45
Hình 4.8 Phƣơng pháp ổn định điện áp bus DC truyền thống .................................. 46
Hình 4.9 Sơ đồ mơ phỏng điều khiển ổn định điện áp DC truyền thống .................. 47
Hình 4.10 Sơ đồ mơ phỏng theo phƣơng pháp truyền thống .................................... 47
Hình 4.11 Kết quả mơ phỏng phƣơng pháp truyền thống......................................... 48
Hình 4.12 THD dịng nguồn khi SAPF chƣa hoạt động ........................................... 48
Hình 4.13 THD dịng nguồn khi SAPF hoạt động .................................................... 49
Hình 4.14 Sơ đồ mơ phỏng các thơng số điều khiển SAPF ...................................... 50
Hình 4.15 sơ đồ mô phỏng phƣơng pháp ổn định điện áp bus DC mới đề xuất ....... 51
Hình 4.16 Sơ đồ mơ phỏng SAPF ............................................................................. 52
Hình 4.17 kết quả mơ phỏng hệ thống SAPF với phƣơng pháp đề xuất .................. 52

Hình 4.18 THD dòng nguồn khi SAPF hoạt động ổn định ....................................... 53
Hình 4. 19 THD dịng nguồn khi SAPF chƣa hoạt động .......................................... 53
Hình 4.20 Phân tích FFT dịng nguồn khi SAPF hoạt động ổn định ........................ 54
Hình 4.21 Độ ổn định điện áp bus DC khi SAPF hoạt động .................................... 54
Hình 4.22 Sai số bù của SAPF với phuong pháp đề xuất ......................................... 55

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Giới hạn méo dạng dòng điện cho các hệ thống phân phối 120V – 69 KV7
Bảng 1.2 Các giới hạn méo dạng dòng điện cho các hệ thống phân phối 69 – 161
KV .............................................................................................................................. 7
Bảng 1.3 Các giới hạn méo dạng dòng điện cho các hệ thống phân phối 69 – 161
KV .............................................................................................................................. 8
Bảng 1.4 Các giới hạn dòng điện cho hệ thống truyền tải > 161 KV ........................ 8
Bảng 1.5 Các giới hạn méo dạng điện áp................................................................... 8
Bảng 3.1 Bảng Routh ............................................................................................... 28
Bảng 4.1 Các thông số của SAPF theo phƣơng pháp truyền thống ......................... 46
Bảng 4.2 Các tham số với thuật toán đề xuất trên 100 lần lặp................................. 51
Bảng 4.3 Thông số của phƣơng pháp đề xuất .......................................................... 51

viii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC

Alternating Curent

APF

Active Power Fillter

CSI

Current Source Inverted

DC

Direct Curent

FFT

Fast Fourier Transform

GA

Genetic Algorithm

HPPF

Hight Pass Power Fillter

IEC

International Electrotechnical Commission

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

PCC

Power Control Current

PLL

Phase Locked Loop

PPF

Passive Power Fillters

PSO

Particle Swarm Optimization

PWM

Pulse Width Modulation

SAPF

Shunt Active Power Fillter

THD

Total Harmonic Distorion

VSI

Voltage Source Inverted

ix


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
hàng đầu
trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam

tốt

cho
nhƣ biến tần, các bộ chỉnh lƣu công

suất lớn, các thiết bị đóng cắt cơng suất lớn..
nhƣ
t, hỏa hoạn do điện gây ra… b
điện ngƣời
Power Filters – PPFs) [1], [2], [3]
dễ lắp đặt,
:D

thì
làm việc sai mục đích.
c (Active Power
Filter – APF) [4], [5], [6], [7], [8] đƣợc quan tâm và đi vào trào lƣu nghiên cứu cấp
thiết và

mắc

hóa hiện đại hóa
và phức tạp

1


đặc
điện

tính cơng nghệ
khơng cịn

sóng sine tần số cơ bản 50 Hz, 60 Hz mà nó tạo

ra các dạng sóng với các tần số nhƣ 150Hz, 250Hz, 350Hz …

Hiện nay, ở Việt Nam chỉ dùng tụ

ể

pháp dùng tụ bù và bù tự động theo hệ số Cosφ theo nhiều cấp độ nhƣng vẫn khơng
thay đổi…Vì vậy, để giải

hiệu quả,

quyết các vấn đề trên, mơ hình mạch lọc tích cực ra đời là một tất yế
cung cấp nguồn hài cho các tính chất khác nhau của tải thay vì nguồn phải cung cấp

nhƣợc điểm

ạch lọc tích cực dạng

song song
bởi vậy, nghiên cứu về thiết kế, tính tốn và điều khiển cho
mạch lọc tích cực dạng song song có ý nghĩa cấp thiết góp phần vào việc nâng cao
hiệu quả làm việc của mạch lọc và cải thiện chất lƣợng điện năng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
+ Phân tích và mơ phỏng phƣơng pháp xác định hài p-q, và phạm vi sử dụng của
phƣơng pháp này.
+ Tối ƣu hóa đa mục tiêu các thơng số của mạch lọc tích cực dạng song song
+ Ổn định của điện áp bus DC
+ Đƣa ra phƣơng pháp điều khiển thích nghi có khả năng bám theo sự thay đổi của
tải để cải thiện hiệu quả điều khiển của các bộ điều khiển truyền thống.
3.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tƣợng nghiên cứu. Nghiên cứu về phƣơng pháp xác định các thành phần sóng
hài và phƣơng pháp lọc sóng hài.

2


Phạm vi nghiên cứu. Nghiên cứu trên lý thuyết về cách xác định hài, tính tốn các
thơng số mơ hình, điều khiển nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả làm việc của mạch
lọc tích cực dạng song song.
4.

Cách tiếp cận và mục tiêu nghiên cứu

Cách tiếp cận. sử dụng phần mềm Matlab và Psim, tài liệu tham khảo
Phƣơng pháp nghiên cứu.
+ Phân tích phƣơng pháp xác định hài.
+ Xác định các thơng số của mạch lọc tích cực dạng truyền thống dùng các lý
thuyết tối ƣu hóa tồn cục.
+ Xây dựng mơ hình tốn của mạch lọc tích cực dạng song song
hiệu quả cao trong lọc hài và bù công
suất phản kháng.
+ Phân tích phƣơng pháp điều khiển điện áp bus DC theo truyền thống, từ đó rút ra
khuyết điểm và đƣa ra phƣơng pháp điều khiển điện áp bus theo hƣớng điều khiển
hiệu quả hơn.
+ Cuối cùng là mô phỏng kiểm nghiệm giữa các phƣơng pháp điều khiển mới đƣợc
đƣa ra với các phƣơng pháp truyền thống.
5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

+ Có thể dùng làm tài liệu giảng dạy cho mơn điện tử cơng suất.
+ Có thể dùng làm tài liệu tham khảo để thực hiện tính tốn cho thi cơng thực tế.

3


CHƢƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN MẠCH LỌC

Giới thiệu

Trong những năm qua công nghệ trên toàn cầu phát triển rất mạnh, các thiết bị điện
tử công suất nhƣ biến tần, chỉnh lƣu…, ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong cơng
nghiệp. Vì vậy ngày càng có nhiều các tải phi tuyến đƣợc nối vào hệ thống điện.
Làm cho độ lệch pha của điện áp và dòng điện tăng lên dẫn đến chất lƣợng điện
năng xấu đi. Nội dung chƣơng này đƣa ra các vấn đề nhƣ: Chất lƣợng điện năng, độ
méo dạng dòng điện tổng, và các tiêu chuẩn của IEEE [9] liên quan đến giới hạn
sóng hài. Vấn đề chủ yếu là ảnh hƣởng của sóng hài đối với chất lƣợng điện năng
cũng đƣợc nhấn mạnh. Để phân tích các vấn đề về sóng hài, chƣơng này giới thiệu
các phƣơng pháp loại trừ hài bao gồm: Mạch lọc thụ động (Passive Power Filter –
PPF) [1], [2], [3] mạch lọc tích cực (Active Power Filter – APF) [4], [5], [6], [7],
[8] và mạch lọc tích cực nối song song (Shunt Active Power Filter – SAPF) [10],
[11], [12], [13], [14]. Các PPF đƣợc sử dụng với các cấu trúc đơn giản dễ điều
khiển và có chi phí thấp, nhƣng nó lại có nhƣợc điểm cộng hƣởng với trở kháng
nguồn, dễ mất ổn định và dễ gây tác dụng phụ nhƣ tiêu thụ công suất, quá nhiệt phá
hủy các thiết bị đóng cắt. Vì vậy cần có các thiết bị khác thay thế và hỗ trợ PPF đó
là các mạch lọc tích cực (APF) đƣợc quan tâm để khắc phục các yếu điểm của PPF.
APF thƣờng đƣợc kết nối song song hoặc nối tiếp với các tải phi tuyến, nó có khả
năng bù sóng hài tự động theo sự yêu cầu về thay đổi của tải phi tuyến.

1.1.1 Chất lượng điện năng
Hiện nay các hệ thống điện trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam đều có các tải hỗn
hợp mà các tải này là những nguồn sinh ra sóng hài chủ yếu mang tính chất của tải
phi tuyến, đẫn 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 chuẩn tần số 50 Hz. Theo
phân tích Fourier thì dạng sóng nào cũng có thể phân tích thành tổng của các dạng
sóng sine có tần số và biên độ khác nhau nhƣ ở hình 1.1 cho thấy rằng từ một dạng
sóng bất kỳ có thể đƣợc biểu diễn nhƣ là tổng hợp các thành phần sóng Sine, bao

4


gồm: Thành phần cơ bản (f= 50 Hz) và các thành phần là bội số của thành phần cơ
bản 3,5,7,11,.. (gọi là các thành phần hài), đây là những thành phần làm cho dạng
sóng tổng méo dạng so với sóng Sine tần số 50 Hz. Độ méo dạng hài tổng (Total
Harmonic Distortion – THD), giá trị THD đƣợc áp dụng cho tất cả các dòng điện và
điện áp và đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa tổng căn bậc hai bình phƣơng giá trị hiệu
dụng (RMS) của các sóng hài chia cho giá trị (RMS) của thành phần cơ bản (sine
50Hz) và nhân với 100% nhƣ phƣơng trình sau:

I h2
THD

h 1

I1

100%

(1-1)

Trong đó Ih là giá trị RMS của các thành phần hài và I1 là giá trị RMS của thành
phần cơ bản (sine 50Hz). Giá trị THD hiện tại thay đổi theo tính chất của tải từ vài
phần trăm lên hơn 100%. Giá trị THD cho phép của điện áp thƣờng thấp hơn 5%.
THD điện áp dƣới 5% đƣợc chấp nhận rông rãi, trong khi các giá trị trên 10% là
khơng chấp nhận đƣợc.

Hình 1.1 Phân tích Fourier của một dạng sóng méo dạng
Vấn đề “ power quality” trong hệ thống điện đƣợc hiểu là: Tần số và điện áp ở xác

lập, điện áp sag (sụt áp đột ngột), nối đất, hài, quá độ giám sát và đo lƣờng...để đánh

5


giá chất lƣợng của một hệ thống điện, các quốc gia và các tổ chức quốc tế đã phát
triển một loạt các tiêu chuẩn chất lƣợng. Theo đó để đảm bảo rằng hệ thống hoạt
động tin cậy, để bảo vệ mơi trƣờng điện và ngƣời tiêu điện thì tổ chức American
Instute of Electrical and Electronic Engineers Inc. (IEEE) năm 1992 đã đƣa ra các
yêu cầu trong việc điều khiển giảm dòng hài trong hệ thống điện (IEEE Std. 5191992) [9] là kết quả giám sát năm 1992 IEEE Recommended Practice for
Monitoring Power Quality (IEEE Std.1159-1992). Một tiêu chuẩn khác đƣợc đƣa ra
là: International Electrotechnical Commission (IEC). Tiêu chuẩn IEC bao gồm: Các
tiêu chuẩn hài, đo lƣờng và kiểm tra (IEC 61000-4-7), (IEC 6100-4-15) và (IEC
6100-4-30). IEC 6100-4-30 định nghĩa các tiêu chuẩn đo đạc chất lƣợng điện năng
cho lƣới 50 Hz và 60 Hz. Trong luận văn này, sử dụng tiêu chuẩn hài IEEE 5191992 để đánh giá chất lƣợng điện năng sau khi sử dụng chiến lƣợc điều khiển hay
phƣơng pháp điều khiển. Các bảng từ 1.1 đến 1.3 biểu diễn các giới hạn dòng hài
theo IEEE 519- 1992 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 nhất, h là bậc hài,
THD là độ méo dạng hài tổng.

6


Bảng 1.1 Giới hạn méo dạng 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)
Isc/ IL

< 11

11 ≤ h <
1

1≤ h<
23

23 ≤ h<
35

h ≥ 35

TH
D%

< 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

≥ 1000

15.0

7.0

6.0

2.5

1.4

20

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)
Isc/ IL

< 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

≥ 1000

7.5

3.5

3

1.25

0.7

10

7


Bảng 1.3 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)

Isc/ IL

< 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

Bảng 1.4 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)
Isc/ IL

< 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

Bảng 1.5 Các giới hạn méo dạng điện áp
Bus voltage at PCC

Individual Harmonic
Magnitude (%)

Total Voltage Distorion
(THD in %)

≤ 69 kV

3.0

5.0

69 – 161 kV

1.5

2.5

161 kV

1

1.5

8


1.1.2 Ảnh hưởng của sóng hài tới lưới điện
Sóng hài đƣợc mang theo trong quá trình truyền tải, phân phối điện năng. Các thiết
bị điện đa phần là các tải phi tuyến. Các tải hỗn hợp sẽ là nguyên nhân làm cho độ
lệch pha của dòng điện và điện áp tăng lên. Đây là các tác hại của sự méo dạng hài
gây ra trên hệ thống điện:
- Quá nhiệt máy biến áp truyền tải và phân phối.
- Tăng tổn thất công suất trên đƣờng dây truyền tải.
- Sai lệch điện áp.
- Sai lệch tần số lƣới điện.
- Dao động điện áp.
- Cháy, nổ tại đầu cực các thiết bị đóng cắt.
- Nhiễu sóng các thiết bị thu phát sóng.
1.1.3 Các phương pháp loại trừ sóng hài
Ảnh hƣởng của sóng hài đến hệ thống điện là rất nguy hiểm, do đó cần phải lọc
sóng hài trên hệ thống điện. Các phƣơng pháp lọc sóng hài bao gồm.
1.Các mạch lọc thụ động ( Passive Power Filter)
2. Mạch lọc tích cực (Active Power Filter)
1.2

Mạch lọc thụ động

Đây là phƣơng pháp đơn giản nhất để loại trừ một số bậc sóng hài trong hệ thống
điện. Các mạch lọc thụ động (PPFs) có hai dạng chính là: tuned filter và high-pass
filter. Các mạch lọc tuned filters bao gồm single và double-tuned filter (Hình 1.2 (a)
và (b)). High-pass filters bao gồm 1st-order high-pass ở hình 1.2 (c), 2nd-order

high-pass ở hình 1.2 (d), 3rd-order high-pass ở hình 1.2 (e) và C-type filter ở hình
1.2 (f).

9


C1

C

C

C2

R1

L
L2
R3

R

(a)

C1

C1

C

L1

L

R

C2

R

L

R

C2
R

L

R2

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Hình 1.2 Các kiểu mạch thụ động
Mạch lọc cộng hƣởng đơn (single-tuned filter) là dạng phổ biến nhất và kinh tế nhất
của mạch lọc thụ động. Mạch bao gồm một điện dung C mắc nối tiếp với một cuộn
dây L. Chức năng của mạch là cho các tín hiệu có tần số thấp 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 sC

(1-2)

)

Trong đó: ω0 là tần số góc cơ bản.
Khi đó tần số cộng hƣởng của mạch lọc là .

f0

1
2

(1-3)

LC

Và hệ số chất lƣợng của mạch lọc đƣợc định nghĩa là:
Q

L
R
0

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
phẩm chất nằm trong phạm vi 30thông cao (high-pass power filter - HPPF). HPPF biễu diễn nhƣ ở hình 1.2 (c-e).
Mạch lọc bậc nhất HPF đƣợc biểu diễn nhƣ hình 1.2c, nó có đặc điểm tổn thất công
suất lớn tại tần số cơ bản, bởi vậy nó ít đƣợc sử dụng. Mạch lọc bậc hai HPF

10


(Hình 1.2d) có đặc điểm lọc tốt, sử dụng đơn giản, tổn thất tại tần số cơ bản ít hơn.
Đặc điểm lọc của mạch lọc bậc ba HPF (Hình 1.2e) là tốt hơn mạch lọc bậc hai
HPF. Tuy nhiên, mạch lọc bậc ba HPF thì khơng đƣợc dùng rộng rãi cho điện áp
trung thế và hạ thế bởi tính kinh tế và phức tạp của nó. Mặc dù các PPFs có thiết kế
và tính tốn đơn giản và giá thành thấp nhƣng PPFs cũng tồn tại nhiều yếu điểm
nhƣ là: Cộng hƣởng, mất ổn định và không linh hoạt, PPF có kích thƣớc lớn bởi vì
các hài cần triệt tiêu là các hài bậc thấp có biên độ lớn (3rd, 5th, 7th). Mặt khác, đặc

điểm bù của mạch lọc thụ động là ảnh hƣởng bởi trở kháng nguồn. Bởi vậy, nó rất
dễ xảy ra cộng hƣởng với trở kháng nguồn. Các PPF chỉ có khả năng bù cố định.
Nếu tải thay đổi trong phạm vi rộng thì các thơng số thiết kế sẽ khơng cịn đúng. Từ
nhƣợc điểm này, các nghiên cứu về mạch lọc tích cực (APF) ra đời để khắc phục
các nhƣợc điểm của PPF. APF có khả năng lọc sóng hài và bù cơng suất phản
kháng tự động theo sự thay đổi của tải.
1.3

Mạch lọc tích cực

Nguyên lý hoạt động cơ bản của APF là dựa vào dịng hài tải để điều khiển APF tạo
ra một tín hiệu bù cho các dạng sóng hài của tải phi tuyến khi đó dịng nguồn khơng
cịn bị méo dạng do khơng cịn cung cấp sóng hài cho tải. Tất cả các APF đƣợc
phát triển với các bộ điều chế độ rộng xung PWM dùng nguồn áp hoặc nguồn dịng.
APF có nhiều ƣu điểm so với mạch lọc thụ động, nhƣ là: Nó có thể lọc sóng hài và
bù cơng suất 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 cao áp và trung áp có dịng lớn. Dựa
vào cấu trúc của bộ nghịch lƣu, sơ đồ điều khiển và sơ đồ ngun lý đặc tuyến bù
mà mạch lọc tích cực có thể phân ra các loại sau đây:
1.3.1 APF dạng song song
Là cấu trúc phổ biến nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi cho việc lọc sóng hài và bù
cơng suất phản kháng trong các lƣới điện hạ áp với một sơ đồ đơn giản, với ƣu thế
dễ điều chỉnh điện áp bus DC và hiệu quả giảm độ méo dạng hài tổng rất tốt. Cấu
trúc của một APF dạng song song bao gồm: Một bộ nghịch lƣu nguồn áp ba pha

11


(VSI) hoặc bộ nghịch lƣu nguồn dòng ba pha (CSI), điện dung bus DC và mạch lọc

đầu ra L f . Bộ nghịch lƣu nguồn áp đƣợc mắc song song với tải để bù một tín hiệu
giống với tín hiệu dịng hài của tải tạo ra. Hình1.3 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của
một APF dạng song song. APF dạng song song đƣợc xem nhƣ là một nguồn phát
sóng hài có điều khiển theo yêu cầu của tải. APF bù dòng hài vào lƣới bằng với
dòng hài của tải tạo ra khi đó dịng nguồn chỉ cịn cung cấp dịng ở tần số cơ bản 50
Hz. Kết quả là làm cho dịng nguồn khơng cịn méo dạng vả 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 bù cơng suất phản kháng và đƣa hệ số cơng suất cosφ về gần bằng 1.
Trên hình 1.3 ta ký hiệu:
is là dòng nguồn
iL là dòng tải phi tuyến
iapf là dòng bù vào từ APF
Dòng tải phi tuyến iL đƣợc phân thành hai thành phần: thành phần cơ bản iLf và
thành phần hài iLh.

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của APF dạng song song

12


iL

iLf

iLh

(1-5)

Nếu dịng bù từ APF có giá trị là iapf =iLh, thì ta có kết quả:

is

iL iapf

iLf

(1-6)

Từ (1-6) chúng ta có thể thấy rằng, dịng nguồn chỉ chứa thành phần cơ bản của
dòng tải phi tuyến, thành phần này cùng pha với dịng nguồn và khơng chứa thành
phần hài. Hình 1.4 biểu diễn dịng nguồn trở thành sóng sin lý tƣởng từ một dạng
sóng méo dạng.

Hình 1.4 Dịng nguồn gàn lý tƣởng khi APF hoạt động
1.3.2 APF dạng nối tiếp
APF dạng nối tiếp đƣợc đƣa ra vào cuối những năm 1980. Cấu trúc của APF nối
tiếp đƣợc biểu diễn nhƣ hình 1.5. Nó đƣợc kết nối nối tiếp với đƣờng dây qua một
máy biến áp có tỷ lệ thích hợp. Nguyên lý hoạt động cơ bản của APF dạng nối tiếp
là dựa vào sự độc lập các hài giữa tải phi tuyến và nguồn. Điều này đƣợc thực hiện

13