Một số giải pháp hạn chế sóng hài trong lưới điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------

TẠ HÙNG VIỆT

MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI TRONG LƯỚI
ĐIỆN NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. BÙI ĐỨC HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình
nghiên cứu của chính bản thân tơi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực và chưa được công bố trong bất kỳ
luận văn của tác giả nào khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những nội
dung cam đoan trên.
Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2012
Tác giả

Tạ Hùng Việt


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU.......................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ KHÁI
NIỆM SÓNG HÀI TRONG LƯỚI ĐIỆN.........................................................3
1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng ..............................................................3
1.2. Một số khái niệm cơ bản về sóng hài ........................................................ 6
1.2.1. Định nghĩa về sóng hài..................................................................... 6
1.2.2. Méo dịng điện và méo điện áp ......................................................... 8
1.2.3 Các đại lượng điện ở trạng thái chứa sóng hài ..................................... 9
1.3. Độ méo và giới hạn độ méo của sóng hài....................................................13
1.3.1. Khái niệm về độ méo ..................................................................... 13
1.3.2. Giới hạn độ méo của sóng hài ......................................................... 16
1.4. Nguyên nhân xuất hiện sóng hài............................................................. 17
1.4.1 Phi tuyến ...................................................................................... 17
1.4.2 Tải phi tuyến trên lưới .................................................................... 19
1.5. Tiêu chuẩn sóng hài cho phép.....................................................................20
1.6. Các phương pháp đánh giá sóng hài............................................................ 23
1.7. Kết luận chương 1 ......................................................................................25
CHƯƠNG 2: PHỤ TẢI PHI TUYẾN
VÀ NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH SÓNG HÀI ......................................... 26
2.1. Tổng quan về phụ tải phi tuyến...................................................................26
2.2. Các tải tiêu dùng.........................................................................................27
2.2.1. Đèn huỳnh quang .......................................................................... 27
2.2.2. Nguồn cấp một pha........................................................................ 28
2.3. Các tải công nghiệp............................................................................... 31
2.3.1 Máy biến áp ................................................................................... 32
2.3.2 Máy điện quay ............................................................................... 32

2.3.3 Các thiết bị hồ quang điện ............................................................... 32


2.3.4 Các thiết bị công suất điều khiển bán dẫn ......................................... 33
2.4. Các tính chất đáp ứng của hệ thống ............................................................ 34
2.4.1 Trở kháng của hệ thống................................................................... 34
2.4.2 Mạch cộng hưởng song song ........................................................... 35
2.4.3 Mạch cộng hưởng nối tiếp ............................................................... 37
2.4.4 Tác động của điện trở và tải mang tính chất trở ................................. 38
2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................. 38
CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI BẬC CAO
ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN ...................................... 40
3.1. Ảnh hưởng đến máy biến áp .......................................................................40
3.2. Ảnh hưởng đến máy điện quay ..................................................................41
3.3. Ảnh hưởng đến các thiết bị đóng cắt..........................................................46
3.4. Ảnh hưởng đến các bộ tụ điện ...................................................................47
3.5. Ảnh hưởng đến cầu chì..............................................................................47
3.6. Ảnh hưởng đến các rơ le bảo vệ.................................................................48
3.7. Ảnh hưởng đến các dụng cụ đo lường........................................................48
3.8. Ảnh hưởng đến các dụng cụ đo lường........................................................49
3.9. Ảnh hưởng đến đến dây cáp điện............................................................... 49
3.10. Ảnh hưởng đến các thiết bị điện khác ......................................................49
3.11. Hiệu quả kinh tế của việc giảm sóng hài ..................................................50
3.12. Kết luận chương 3 ...................................................................................51
CHƯƠNG 4: CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ
SÓNG HÀI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ...................... 52
4.1. Đánh giá về sóng hài.......................................................................................52
4.1.1. Khái niệm về điểm đầu nối chung PCC ...................................................52
4.1.2. Đánh giá sóng hài ở hệ thống phân phối ..................................................52
4.1.3. Đánh giá sóng hài ở thiết bị người sử dụng..............................................53

4.2. Vị trí điều chỉnh điều hịa.......................................................................... 55


4.2.1 Trên các hệ thống phân phối của nhà cung cấp ...................................... 55
4.2.2 Trên các thiết bị của người sử dụng ...................................................... 55
4.3 Các biện pháp hạn chế sóng hài .................................................................. 56
4.3.1 Giảm dòng điều hòa bậc cao trong tải ................................................... 57
4.3.2 Lọc .................................................................................................... 57
4.3.3 Điều chỉnh đáp ứng tần số của hệ thống ................................................ 57
4.4. Các thiết bị để điều chỉnh hạn chế sóng hài................................................. 58
4.4.1 Cuộn kháng tuyến tính ........................................................................ 58
4.4.2 Các bộ lọc thụ động ............................................................................ 60
4.4.3 Các bộ lọc tích cực.............................................................................. 65
4.5 Các biện pháp khắc phục hài thứ tự không .................................................. 69
4.6 Kết luận chương 4 ..................................................................................... 71
CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM TÍNH TỐN BỘ LỌC
CHO NGUỒN TẢI TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ...................................... 72
5.1. Khái quát chung về hệ biến tần – động cơ .................................................. 72
5.1.1 Bộ biến tần trực tiếp ( xoay chiều – xoay chiều)..................................... 73
5.1.2 Bộ biến tần gián tiếp ........................................................................... 74
5.2. Khái quát chung về hệ biến tần – động cơ .................................................. 76
5.2.1 Các thiết bị và dụng cụ sử dụng trong thí nghiệm ................................... 76
5.2.2 Thí nghiệm khi chưa có bộ lọc ............................................................. 80
5.3. Khái quát chung về hệ biến tần – động cơ .................................................. 82
5.3.1 Cách giải quyết ................................................................................... 82
5.3.2 Ưu điểm bộ lọc LC ............................................................................. 82
5.3.3 Nhược điểm bộ lọc LC ........................................................................ 82
5.3.4 Nguyên lý bộ lọc dòng điện của bộ lọc LC ............................................ 82
5.3.5 Phương trình hàm truyền ..................................................................... 83
5.4. Lựa chọn thông số cho bộ lọc .................................................................... 84

5.4.1 Lựa chọn tần số cắt ............................................................................. 84
5.4.2 Lựa chọn điện cảm L và điện dung C .................................................... 84


5.4.3 Chế tạo bộ lọc và thử nghiệm cuộn kháng ............................................. 86
5.5. Kết quả thí nghiệm khi lắp bộ lọc .............................................................. 87
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................................... 89
KẾT LUẬN .............................................................................................. 90


CÁC TỪ VIẾT TẮT

THD: Tổng méo điều hòa ( Total Harminic Distortion)
TDD: Tổng méo nhu cầu (Total Demand Distorton)
PF: Hệ số công suất (Power Factor)
DPF: Hệ số công suất dịch (Displacement Power Factor)
PWM: Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation)
ASD: Điều chỉnh tốc độ (Adjustable Speed Drives)
PCC: Điểm đổi nối chung (Point of Common Coupling)
IEEE: Viện kĩ thuật điện và điện tử (Institue of Electrical and Electronic Engineers)
IEC: Ủy ban điện quốc tế(International Electronical Commission)
ANSI: Viện các tiêu chuẩn Mỹ (Amercian National Standards Institute)


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 : Độ biến dạng điện áp do sóng hài.
Bảng 4.1 : Giới hạn điện áp điều hòa ở tỉ lệ phần trăm điện áp tần số cơ bản định
mức.
Bảng 4.2 : Giới hạn dòng điện điều hào tỉ lệ phần trăm của LL.

Bảng 5.1 : Thông số kỹ thuật của biến tần.
Bảng 5.2 : Thông số kỹ thuật đo điện áp.
Bảng 5.3 : Thông số kỹ thuật đo dịng điện.
Bảng 5.4 : Thơng số kỹ thuật đo các bậc điều hòa.
Bảng 5.5 : Trị số độ méo THD và các thành phần điều hòa trên 3 pha.
Bảng 5.6 : Mức suy giảm của từng bậc điều hòa.
Bảng 5.7 : Trị số độ méo THD và các thành phần điều hòa trên 3 pha sau khi lắp bộ
lọc.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Chương 1:
Hình 1-1 : a. Dạng sóng hình sin; b. Dạng sóng hình sin bị biến dạng do sóng hài.
Hình 1-2: Phân tích sóng cơ bản và các sóng hài.
Hình 1-3: Phổ tần của sóng hài.
Hình 1-4: Điện áp hài gây ra bởi các dòng hài bậc cao chảy trong hệ thống.
Hình 1-5: Méo dịng gây ra bởi tải phi tuyến.
Hình 1-6: Phi tuyến xung dịng điện do sét đánh.
Hình 1-7: Dao động phi tuyến.
Chương 2:
Hình 2-1: Dạng sóng dịng điện và phổ tần của đèn huỳnh quang
Hình 2-2: Nguồn một chiều chế độ đóng cắt.
Hình 2-3: Phổ tần của sóng hài sinh ra bởi bộ PC và máy in.
Hình 2-4: Nguồn một chiều gồm chỉnh lưu cầu một pha và tụ điện.
Hình 2-5: Dạng dịng điện của các tải phát điều hịa.
Hình 2-6: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 6 xung.
Hình 2-7: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ứng dụng PWM.
Hình 2-8: Hệ thống với các tiềm năng cộng hưởng song song.
Hình 2-9: Hệ thống với các tiềm năng cộng hưởng nối tiếp.

Hình 2-10: Sơ đồ thay thế đơn giản của mạch cộng hưởng nối tiếp.
Chương 4:
Hình 4-1: Hình ảnh cuộn kháng tuyến tính dùng lọc sóng hài.
Hình 4-2: Kháng lọc sóng hài trong mạch Inverter.
Hình 4-3: Kháng lọc sóng hài trong mạch hệ thống tụ bù.
Hình 4-4: Sơ đồ ngun lý bộ lọc sóng hài kiểu rẽ nhánh.
Hình 4-5: Sơ đồ nguyên lý bộ lọc thụ động nối tiếp.
Hình 4-6: Sơ đồ nguyên lý bộ lọc thơng thấp LC cơ bản.
Hình 4-7: Hình ảnh bộ lọc thông thấp.


Hình 4-8: Một ứng dụng bộ lọc thơng thấp trong hệ thống cơng nghiệp.
Hình 4-9: Sơ đồ ngun lý và hình ảnh bộ lọc sóng hài trong lưới điện
Hình 4-10: Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý bộ lọc tụ.
Hình 4-11: Sơ đồ ngun lý của bộ lọc tích cực.
Hình 4-12: Sơ đồ ngun lý và dạng sóng dịng áp trong lưới điện khơng có lọc và
có lọc tích cực mắc song song.
Hình 4-13: Sơ đồ nguyên lý bộ lọc lắp cho mạch điều chỉnh tốc độ động cơ bằng
Inverter.
Hình 4-14: Sơ đồ nối bộ lọc tích cực làm việc nối tiếp với lưới.
Hình 4-15: Sơ đồ nối bộ lọc tích cực làm việc song song với lưới.
Hình 4-16: Sơ đồ bộ lọc tích cực nối hỗn hợp với lưới.
Hình 4-17: Hình ảnh thiết bị lọc tích cực của ABB.
Hình 4-18: Sơ đồ nguyên lý cuộn dây của máy biến áp đấu kiểu zigzag.
Hình 4-19: Biến áp đấu Y/ và đấu Zig zag sử dụng để bẫy các hài đi vào dây trung
tính trong các hệ thống 3 pha 4 dây cấp cho tải phi tuyến.
Chương 5:
Hình 5-1: Hình ảnh biến tần của hãng SIEMENS.
Hình 5-2: Sơ đồ cấu trúc của biến tần trực tiếp.
Hình 5-3: Dạng sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các

khâu trong biến tần trực tiếp.
Hình 5-4: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần gián tiếp.
Hình 5-5: Dạng sóng phía nguồn cấp.
Hình 5-6: Dạng sóng phía động cơ.
Hình 5-7: Ảnh chụp biến tần Micromaster 420.
Hình 5-8: Ảnh chụp máy đo dạng sóng và phân tích phổ tần Energytest 2020E.
Hình 5-9: Sơ đồ nối hệ thống thí nghiệm khi chưa có lọc.
Hình 5-10: Dạng sóng dịng điện.
Hình 5-11: Phổ tần của sóng dịng điện.
Hình 5-12: Sơ đồ của bộ lọc trong hệ thống.


Hình 5-13: Sơ đồ tương đương của mạch lọc trong hệ thống.
Hình 5-14: Phương trình đáp ứng hàm truyền F theo tần số.
Hình 5-15: Sơ đồ mơ phỏng hệ thống thí nghiệm.
Hình 5-16: Hàm truyền của bộ lọc, bậc cộng hưởng là h=2.2.
Hình 5-17: Sơ đồ thử nghiệm cuộn kháng.
Hình 5-18: Sơ đồ nối hệ thống thí nghiệm khi lắp thêm bộ lọc.
Hình 5-19: Dạng sóng dịng điện sau khi lắp bộ lọc.
Hình 5-20: Phổ tần của sóng dịng điện sau khi lắp bộ lọc.


PHẦN MỞ ĐẦU

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Đảm bảo chất lượng điện năng đang là vấn đề chiến lược của ngành điện các
quốc gia hiện nay. Đảm bảo chất lượng điện năng là đảm bảo ổn định về điện áp,
tần số và dạng sóng. Chỉ cần 1 trong 3 yếu tố trên khơng đảm bảo thì chất lượng
điện năng sẽ không đảm bảo.
Về nguyên tắc hệ thống máy phát điện ln đảm các đặc tính kỹ thuật, tuy

nhiên chất lượng điện năng lại bị ảnh hưởng bởi nhiều nguyên nhân khác. Ảnh
hưởng nhiều nhất do hiện tại trong lưới điện có rất nhiều thiết bị điện từ, điện tử
đang vận hành và phát tán lên lưới các loại sóng hài bậc cao làm cho dạng sóng điện
áp và dịng điện bị méo dạng. Sự biến dạng này làm ảnh hưởng xấu tới chất lượng
điện năng sẽ gây nên các tác hại như:
-

Dụng cụ đo đếm khơng chính xác.

-

Rơ le bảo vệ tác động sai hoặc bị lỗi.

-

Gây mất điện, hư hỏng thiết bị .

-

Làm tăng tổn hao, tăng chi phí.

-

Gây nhiễu điện từ và tiếng ồn.

Đặc biệt hiện nay các thiết bị điện tử công suất được sử dụng nhiều trong các
hộ tiêu thụ điện chiếm một vị trí đáng kể trong dân dụng và trong công nghiệp. Các
thiết bị này rất quen thuộc như: bộ nguồn 1 chiều cung cấp cho các máy tính, máy
in, máy phơ tơ, trong cơng nghiệp có các bộ biến tần, các bộ chỉnh lưu công suất
lớn. Chúng là các nguồn phát sinh các loại sóng hài bậc cao làm cho dạng sóng điện

áp và dịng điện bị méo dạng.
Vì vậy, việc cần phải tăng cường nhận thức mức độ ảnh hưởng của sóng hài
đến chất lượng điện năng là rất cần thiết. Để đánh giá mọi mặt liên quan của sóng
hài ta phải nghiên cứu về nguồn phát sinh sóng hài, đánh giá tác động của sóng hài
lên hệ thống, đến các thiết bị điện trên lưới, đánh giá khả năng đáp ứng trở kháng

-1-


theo tần số của hệ thống để tìm ra các tần số điều hịa cộng hưởng nguy hiểm từ đó
đưa ra các biện pháp hạn chế sóng hài cải thiện chất lượng điện năng.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
- Tìm hiểu ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng điện năng.
- Các nguồn phát sóng hài.
- Các giải pháp có thể hạn chế sóng hài.
- Chọn một giải pháp cụ thể, xây dựng mơ hình tốn, mơ phỏng bằng phần
mềm chuyên dụng để đưa ra kết quả.
- Thiết kế và chế tạo sản phẩm thử nghiệm đối chứng kết quả nghiên cứu.
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Một số thiết bị có khả năng phát tán sóng hài.
- Một số giải pháp cụ thể để hạn chế sóng hài.
4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Sóng hài và ảnh hưởng của sóng hài đến chất lượng điện năng.
- Các giải pháp có thể hạn chế sóng hài để nâng cao chất lượng điện năng.
- Tính tốn thiết kế bộ lọc hạn chế sóng hài cho bộ biến tần – động cơ.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Tổng hợp lý thuyết.
- Xây dựng mơ hình và thí nghiệm thực tế.
6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu và kết luận. Luận văn được chia làm năm chương

Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng và khái niệm sóng hài trong
lưới điện.
Chương 2: Phụ tải tuyến tính và nguyên nhân phát sinh sóng hài.
Chương 3: Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao đến hoạt động của các thiết bị
điện.
Chương 4: Các biện pháp hạn chế sóng hài để nâng cao chất lượng điện năng.
Chương 5: Thí nghiệm tính tốn bộ lọc cho nguồn tải biến tần - động cơ .

-2-


CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
VÀ KHÁI NIỆM SÓNG HÀI TRONG LƯỚI ĐIỆN

1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng.
Ngày nay với xu thế phát triển nhanh của nền kinh tế quốc dân thì nhu cầu địi
hỏi về điện năng ngày càng lớn cả về số lượng và chất lượng. Với sự phát triển
nhanh của khoa học kỹ thuật cho nên công nghệ tiên tiến được áp dụng trong nhiều
lĩnh vực, cho ra đời hàng loạt các máy móc thiết bị hiện đại địi hỏi u cầu hết sức
nghiêm ngặt về chất lượng điện năng. Vì thế chất lượng điện năng là vấn đề cần
phải quan tâm hiện nay.
Ngay từ khi khái niệm “chất lượng điện năng’’ được đưa ra đầu thập kỷ 80
của thế kỷ 20 lập tức nó trở thành một khái niệm gây tranh cãi, cho đến ngày nay
còn nhiều các bất đồng về việc sử dụng khái niệm này về cách định nghĩa và áp
dụng thế nào cho chính xác. Nguyên nhân chính là rất khó có thể định nghĩa một
đại lượng vật lý kiểu năng lượng, vì thế một số khái niệm khác đã được sử dụng để
thay thế cho khái niệm này [9]. Một trong các khái niệm này là “chất lượng điện
áp”, nó được sử dụng rất nhiều trong các tài liệu của châu Âu và được hiểu là chất

lượng của sản phẩm do nhà cung cấp phân phối cho hộ sử dụng. Trong chương 1,
Roger C. Dugan đã chính thức viết “chất lượng điện năng” = “chất lượng điện áp”
và phân tích rằng hệ thống cung cấp điện chỉ có thể điều chỉnh chất lượng của điện
áp chứ không thể điều chỉnh được dòng điện do các tải đặc biệt sinh ra [10]. Khái
niệm tiếp theo bổ sung cho khái niệm trên là “chất lượng dịng điện”, nó được định
nghĩa là sự sai lệch của dạng sóng dịng điện với dịng điện sin lý tưởng [9]. Vì vậy
trong khi chất lượng điện áp xét đến cái mà nhà cung cấp điện đưa cho hộ sử dụng
thì chất lượng dịng điện lại quan tâm đến cái mà hộ sử dụng nhận được từ hệ thống
cung cấp. Một khái niệm tiếp theo là “chất lượng nguồn cung cấp” nhưng khái
niệm này cũng không được sử dụng nhiều. Khái niệm nữa là “chất lượng tiêu thụ”,
nhưng cũng giống trên, khái niệm này ít được dùng trong ngành điện cho nên không
quan tâm nhiều đến nó [9]. Trong các tiêu chuẩn, thuật ngữ “chất lượng điện năng”

-3-


đã được chính thức sử dụng rất nhiều nơi. Ở Mỹ trong tiêu chuẩn của IEEE
( Institue of Electric and Electronic Engineer), một trong các tiêu chuẩn của SCC
(Standard Coordinate Committees), cụ thể là SCC 22 đã chính thức chấp nhận thuật
ngữ : Chất lượng điện năng [9]. Mặc dù trong các tài liệu (tiêu chuẩn) của IEC
(Internationical Commission), một tổ chức thiết lập các tiêu chuẩn về điện quốc tế,
thuật ngữ “ chất lượng điện năng” không hề xuất hiện chính thức, mãi cho đến năm
2002 trong một bản dự thảo tiêu chuẩn của IEC thuật ngữ “chất lượng điện năng”
mới được sử dụng lần đầu tiên [9]. Và cũng cần nhấn mạnh rằng IEC ngày càng
chấp nhận thuật ngữ “chất lượng điện năng” hơn.
Để định nghĩa về “chất lượng điện năng”, đã có rất nhiều các định nghĩa
khác nhau, R.C Dugan đã viết : Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về chất lượng
điện năng, điều này tùy thuộc vào vị trí của người đưa ra định nghĩa. Ví dụ như
người cung cấp điện định nghĩa chất lượng điện năng là độ tin cậy và đưa ra các
thống kê về độ tin cậy. Các nhà quản lý điện năng là độ tin cậy và đưa ra các thống

kê về độ tin cậy. Các nhà quản lý điện cũng đưa ra các tiêu chuẩn dựa trên quan
điểm này. Nhưng chất lượng điện năng xét đến cùng là một vấn đề chi phối hộ sử
dụng và vị trí hộ sử dụng điện xét đến chiếm vị trí hàng đầu. Và vì thế R.C Dugan
định nghĩa chất lượng điện năng là bất kì một vấn đề điện năng nào thể hiện qua sai
lệch của điện áp, dòng điện hay tần số dẫn đến các thiết bị của người sử dụng bị
hỏng hoặc hoạt động sai [10]. Barry W.Kennedy cho rằng chất lượng điện năng có
để được định nghĩa theo hai quan điểm khác nhau tùy thuộc vào bạn đứng ở vị trí là
người cung cấp hay người tiêu thụ điện, và đưa ra định nghĩa của Gerry Heydt về
chất lượng điện năng “là biện pháp, sự phân tích, cải thiện cho điện áp, thông
thường là điện áp trên tải, để duy trì điện áp này ở dạng sin theo điện áp và tần số
định mức” [8]. Trong một tài liệu khác, Maura C.Ryan định nghĩa : “Chất lượng
điện năng là mức độ trong đó việc sử dụng và phân phối năng lượng điện đều tác
động đến sự hoạt động của thiết bị điện. Bất kỳ một sự sai lệch nào so với biên độ,
tần số của dạng sóng điện áp hình sin ly tưởng đều xem như là các vấn đề chất
lượng điện năng” [11]. Còn Kabelo Clifford Modipane cho rằng : “Chất lượng điện

-4-


năng là bất kỳ phản ứng khơng bình thường trên hệ thống điện xảy ra đối với dạng
sóng của dịng điện và điện áp, tác động có hại đối với sự hoạt động bình thường
của các thiết bị điện - điện tử” [12]. Các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế cũng đã bắt đầu
định nghĩa và phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện năng. Định
nghĩa được đưa ra trong từ điển của IEEE, bắt đầu từ IEEE Emerald Book, đã cho
rằng : “Chất lượng điện năng là một khái niệm của việc nối nguồn và nối đất cho
các thiết bị nhạy cảm mà theo cách đó là phù hợp cho việc hoạt động của các thiết
bị” [9]. Vào năm 2000 IEC đã bắt đầu có bước khởi đầu trong khi định nghĩa về
chất lượng điện năng, kết quả là đưa ra được một bản dự thảo và đề nghị việc định
nghĩa chất lượng điện năng theo cách sau: “Chất lượng điện năng là một bộ các
thông số xác định các đặc tính của nguồn cung cấp khi phân phối cho người sử dụng

ở các điều kiện hoạt động bình thường dưới dạng nguồn cung cấp hoạt động liên tục
và các tính chất của điện áp (sự đối xứng, tần số, biên độ và dạng sóng) ” [9]. Tuy
nhiên định nghĩa này gây ra rất nhiều sự hiểu lầm, do vậy định nghĩa đã được sửa
lại là : “Chất lượng điện năng là các tính chất điện tại một điểm cho trước trên một
hệ thống điện, được đánh giá so sánh với một bộ các thông số kĩ thuật tham khảo
( với một chú ý đi kèm là : trong một vài trường hợp, các thông số này có thể liên
quan đến độ tương thích giữa điện năng được cung cấp trên mạng và các tải được
kết nối với mạng đó) ” [9]. Tóm lại, thuật ngữ chất lượng điện năng vẫn còn là một
chủ đề tranh cãi vì thế việc đưa ra được một định nghĩa thống nhất trên toàn thế giới
vẫn là vấn đề của tương lai.
Chất lượng điện năng là một vấn đề có ý nghĩa chiến lược đối với toàn ngành
điện, các nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác, bảo dưỡng, quản lý, các nhà chế
tạo thiết bị vì các lý do sau đây [2]:
- Tính chất cạnh tranh của nền kinh tế đòi hỏi điện năng phải được đảm bảo
thường xuyên với chất lượng tốt.
- Việc sử dụng ngày càng rộng các phụ tải nhạy cảm với chất lượng điện như
máy tính, thiết bị đo lường – điều khiển, hệ thống thơng tin liên lạc địi hỏi phải
được cung cấp điện với chất lượng cao.

-5-


- Việc suy giảm chất lượng điện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp,
tuổi thọ bị giảm.
- Thị trường điện là thị trường mở tự do, các xí nghiệp có khả năng lựa chọn
các nhà cung cấp điện có chất lượng cao hơn.
1.2 Một số khái niệm cơ bản về sóng hài.
1.2.1 Định nghĩa về sóng hài.
- Sóng hài là một dạng nhiễu khơng mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất
lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ

giới hạn cho phép. Có thể coi sóng hài là sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên
của tần số cơ bản hệ thống.

f h  ( h)  f cb
fh : Tần số sóng hài.
fcb: Tần số cơ bản.
h : Bậc của sóng hài (h là số ngun dương)
Ví dụ dịng 250 HZ là sóng hài bậc 5. Dịng điện 250HZ là dịng năng
lượng khơng sử dụng được với các thiết bị. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hóa sang
năng dạng nhiệt năng và gây tổn hao.

(a)

(b)

Hình 1.1 a- Dạng sóng hình sin
b- Dạng sóng hình sin bị biến dạng do sóng hài

-6-


- Sóng hài có thành phần hài bậc chẵn và bậc lẻ:
+ Hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo lập lại y hệt
nửa chu kỳ dương nhưng với chiều âm. Nói cách khác, hài bậc lẻ xuất hiện khi phần
tư chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba là giống nhau, phần tư chu kỳ thứ hai và
thứ tư là giống nhau. Với chỉnh lưu cầu vì nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm là
đối xứng nhau (do đó các hài bậc chẵn bị triệt tiêu)
+ Hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ dương.
Một đặc điểm khác có hài bậc chẵn khi phần tư thứ nhất và thứ tư là giống nhau,
phần tư thứ hai và thứ ba là giống nhau. Thường ít khi thấy hài bậc chẵn trong các

hệ thống điện cơng nghiệp.

Hình 1.2 Phân tích sóng cơ bản và các sóng hài

-7-


Hình 1.3 Phổ tần của sóng hài
Hình 1.2 minh họa phân tích dạng sóng tuần hồn khơng lý tưởng có thể tồn tại
trong thực tế qua phép phân tích Fourier ta được các dạng sóng tuần hồn lý tưởng
với các tần số khác nhau, ở đây ta chỉ lấy việc phân tích thành các bước sóng có bậc
3, 5, 7 cịn các bậc cao hơn coi nhỏ và có thể bỏ qua khi phân tích. Thơng thường,
các điều hồ bậc cao (trên 25) được bỏ qua đối với các phân tích của hệ thống, do
giá trị biên độ của chúng quá nhỏ [10]. Mặc dù chúng cũng có thể ảnh hưởng đến
các thiết bị điện tử công suất thấp, nhưng những tác động của chúng đến hệ thống
điện năng nói chung là khơng đáng kể.
1.2.2 Méo dịng điện và điện áp
Đối với hầu hết các nhà phân tích thì họ thường xem các dịng điều hồ sinh ra
bởi các tải phi tuyến như là các nguồn dòng phát dòng điều hồ vào lưới [10]. Mặc
dù dịng điều hịa tải gây nên méo điện áp, nhưng nó khơng quyết định các giá trị
điện áp méo, thực tế này là cơ sở để phân chia trách nhiệm quản lý điều hoà được
định nghĩa trong một số các tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới [10]:
Điện áp rơi

Điện áp
sin

Điện áp bị méo

Dòng tải méo

Hình 1-4 Điện áp hài gây ra bởi các dịng hài bậc cao chảy trong hệ thống

-8-


1.2.3 Các đại lượng điện ở trạng thái chứa sóng hài
Các đại lượng truyền thống như giá trị hiệu dụng, công suất (phản kháng, tác
dụng, biểu kiến), hệ số công suất cos, các thứ tự pha được định nghĩa cho tần số
cơ bản và ở điều kiện điện áp và dòng điện là sin lý tưởng. Trong điều kiện bị méo
do ảnh hưởng của sóng hài thì các đại lượng đều khơng cịn được xác định như khi
chỉ tồn tại sóng cơ bản:

Cơng suất biểu kiến:
Ứng dụng cho cả hai điều kiện hình sin và khơng sin. Cơng suất biểu kiến có thể
được viết như sau:
S = Urms x Irms
Trong đó

Urms : giá trị hiệu dụng của điện áp
Irms : giá trị hiệu dụng của dòng điện

Ở điều kiện sin lý tưởng thì dạng sóng điện áp và dịng điện chỉ chứa thành phần
tần số cơ bản, vì thế các giá trị hiệu dụng có thể được biểu diễn đơn giản bằng cơng
thức sau:
U

rms



1
U1
2
và

I

rms



1
I1
2

Trong đó:
U1, và I1 là các giá trị biên độ cực đại của điện áp và dòng điện tần số cơ bản.
Trong điều kiện méo, dạng sóng có thể được phân tích thành các dạng sóng điều
hồ hình sin có tần số gấp ngun lần tần số sóng cơ bản và có biên độ khác nhau.
Giá trị hiệu dụng của các dạng sóng được tính tốn bằng căn bậc hai của tổng các
bình phương thành phần riêng lẻ [10].
k max

U rms 

1
 1

U k )2  

U12  U 22  U 32  ...  U k2max
2
2


  (
k 1

-9-


k max

I rms 

1
 1

I k )2  
I12  I 22  I 32  ...   I h2max
2
2


  (
k 1

Trong đó Uk và Ik là biên độ cực đại của điều hồ bậc k.

Cơng suất tác dụng:

Công suất tác dụng P thường được hiểu là công suất thực. Nó biểu diễn cơng suất
hữu ích tiêu thụ bởi tải để thực hiện các cơng việc thực. Ví dụ để biến đổi dạng năng
lượng điện thành các dạng năng lượng khác, đơn vị của công suất tác dụng là W. P
cũng có thể được tính tốn bằng trung bình tích số của dịng điện và điện áp tức
T

thời : P 

1
u (t )i(t ) dt
T 0

Khi có các điều hồ thì u(t), i(t) là xếp chồng của các thứ tự điều hoà
u(t) = u 1sin(t+1) + u 2sin(2t+2) + u3sin(3t+3) +…+ uksin(kt+k)


  uk sin( kt   k )

k là số bậc điều hoà

k 1

i(t) = i1sin(t+1) + i2sin(2t+ 2) + i3sin(3t+3) +…+ipsin(pt+p)


  i p sin( pt   p )

p là số bậc điều hoà

p 1

Thay vào biểu thức tính P ở trên
T

P


1 
(
u
sin(
k

t


)
(
 k
k  i p sin( pt   p ))dx
T 0 k 1
p 1

Trong đó
- uk là giá trị cực đại của điện áp bậc k
- ip là giá trị biên độ cực đại của dòng điện bậc p
Từ biểu thức tính giá trị cơng suất P
P

P

1
2

1
2







 ( uk sin( kx   k )( i p sin( px   p ))dx

 k 1



p 1



 (u i .P
k p

kp

)

k 1 p 1

Vậy

- 10 -


P

1 
 uk ik cos( k   k )
2 k 1

Trong đó un, in là giá trị biên độ cực đại của điện áp, dòng điện bậc k.
k max

P   U rmsk I rmsk cos  k
k 1

Trong đó: Urmsk và Irmsk là giá trị hiệu dụng của điện áp và dịng điện điều hồ bậc
k
k là góc lệch pha của điện áp và dịng điện điều hồ bậc k
kmax là bậc điều hoà cao nhất xét đến trong q trình phân tích. Phương trình tính
cơng suất tác dụng này đúng cho cả các điều kiện sin và khơng sin.
Đối với trường hợp sin lý tưởng, P có thể được tính tốn ở dạng sau:
P

U 1 I1
cos 1  U1rms I1rms cos 1  S cos 1
2

Trong đó 1 là góc lệch pha giữa điện áp và dịng điện tại tần số cơ bản. Công
thức trên cho thấy rằng công suất là một hàm của các đại lượng tần số cơ bản. Trong
trường hợp khơng sin, sự tính tốn của cơng suất tác dụng cịn phải bao gồm sự
đóng góp của các thành phần điều hồ. Tuy nhiên, các điện áp méo nói chung ở
mức thấp trên các hệ thống (nhỏ hơn 5%) cho nên công thức trên có thể coi là giá trị
xấp xỉ của cơng suất tác dụng thực. Nhưng sự xấp xỉ này không được sử dụng khi
tính tốn cơng suất biểu kiến và cơng suất phản kháng bởi vì hai thành phần trên nói
chung bị tác động của méo.

Công suất phản kháng:
Trong điều kiện sin lý tưởng, công suất phản kháng đơn giản được xác định:
Q  S sin 1 

U1I1
sin 1  U1rms I1rms sin 1
2

k max

Q

U

I

rmsk rmsk

sin k

k 1

Trong đó Urmsk và Irmsk là giá trị hiệu dụng của điện áp và dịng điện điều hồ bậc k
k là góc lệch pha của điện áp và dịng điện điều hồ bậc k

- 11 -


kmaxlà bậc điều hồ cao nhất trong q trình phân tích.

Cơng suất méo:
Lúc này ta sẽ thấy phương trình S  P 2  Q 2 sẽ khơng cịn đúng nữa, vì vậy
người ta đưa ra một đại lượng mới để tn theo định luật bảo tồn cơng suất trong
mạch khi có điều hồ, đại lượng đó được gọi là D đặc trưng cho cơng suất méo, nó
có đơn vị là VA [10].
S, P, Q, D quan hệ với nhau như sau:
S  P2  Q2  D2

Như vậy từ S, P, Q đã được xác định theo các công thức ở trên thì ta có thể tính
được gía trị D
D  S 2 - P2 - Q2

Hệ số công suất
Hệ số công suất là tỉ lệ giữa công suất hữu ích để thực hiện cơng việc thực (cơng
suất tác dụng) và phần công suất được nhà phân phối cung cấp (cơng suất biểu
kiến).
PF 

P
S

Đối với trường hợp hình sin thì hệ số cơng suất là:
PF 

P
 cos
S

Trong đó φ là góc dịch pha giữa điện áp và dịng điện và gọi là hệ số công suất
dịch DPF (Displacement power factor) [10]. Trong trường hợp méo, thì phải tính
đến sự góp mặt của các điều hồ, và hệ số cơng suất trong trường hợp này gọi là hệ
số công suất đúng PF (Power Factor) [10]. Trong đó P là tổng công suất tác dụng
của tất cả các thành phần điều hồ, S là phần cơng suất biểu kiến của nhà cung cấp
đưa đến tải. Việc xác định hai công thức này có ý nghĩa trong việc đo đạc chính xác
của các thiết bị đo khi có điều hồ, ví dụ với các tải là nguồn chế độ đóng cắt và các
thiết bị điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation ) thì có hệ số cơng

- 12 -


suất dịch gần bằng một trong khi hệ số công suất đúng có gíá trị 0,5 - 0,6. Hệ số
cơng suất đúng phản ánh việc một hệ thống phải đảm bảo cung cấp bao nhiêu năng
lượng cho một tải cho trước, trong trường hợp tải có phát sinh nhiều điều hồ thì
việc sử dụng hệ số cơng suất dịch như truyền thống sẽ có thể dẫn đến sai lầm trong
vấn đề đảm bảo an toàn cho hệ thống.
1.3 Độ méo và giới hạn độ méo của sóng hài.
1.3.1 Khái niệm về độ méo.
Thực tế ngày nay sử dụng nhiều các phần tử phi tuyến, ví dụ các thiết bị đóng
cắt điện tử công suất (tranzitor công suất, thyristor, diode) trong các mạch chỉnh
lưu, điều chỉnh tốc độ, trong các bộ biến tần, trong cuộn dây lõi sắt hoạt động dưới

nguồn cung cấp từ lưới điện. Theo lý thuyết các phần tử phi tuyến có tính chất tạo
tần, trong trường hợp đầu vào là nguồn kích thích điều hịa tần số f thì ở chế độ xác
lập đáp ứng thường chứa các tần số bội m.f (m = 0,1,2,3.....) và trong một số trường
hợp cả số ước của f. [3], [4]

Hình 1.5 Méo dòng gây ra bởi tải phi tuyến [10]
Sự tạo tần này có thể được giải thích như sau :
Các phần tử phi tuyến hoạt động dưới nguồn kích thích điều hịa có tần số
fCN, kết quả là dạng sóng của dịng điện trong mạch sẽ méo nhưng tuần hoàn theo
điện áp, điều này thỏa mãn định lý Jordan- Dicrichlet là điều kiện cho phép một
chuỗi hàm khai triển được thành chuỗi Fourier [5]:
Hàm số f(x) tuần hoàn chu kỳ 2L, thỏa mãn định lý Jordan-Dicrichlet trên
đoạn [-L,L]

- 13 -


Công thức
ao n 
 nx
 nx
  (an cos
 bn sin
)
2 n1
L
L

f ( x) 

Trong đó :
L

ao 

1
f ( x)dx
L L

an 

1
 nx
f ( x) cos
dx

L L
L

bn 

1
 nx
f ( x)sin
dx

L L
L

L

n =1,2,3 …..

L

n = 1,2,3….
Thay các giá trị
L = π,x =  .t
f ( x) 


ao n 
nt
nt
  (an cos
 bn sin
)
2 n 1



ao n 
  (an cos(n t)+b n sin n(t ))
2 n 1

Rút gọn lại biểu thức trên:
f ( x) 

a0 n 
  n sin(nt   n )

2 n 1

Trong đó :
n  an 2  bn 2
tan g ( n ) 

an
bn

Hình 1.2 minh họa phân tích dạng sóng tuần hồn khơng lý tưởng có thể tồn
tại trong thực tế qua phép phân tích Fourier ta được các dạng sóng tuần hồn lý
tưởng với các tần số khác nhau, ở đây ta chỉ lấy việc phân tích thành các bước sóng
có bậc 3,5,7 cịn các bậc cao hơn coi nhỏ và có thể bỏ qua khi phân tích.
Thơng thường, các điều hịa bậc cao (trên 25) được bỏ qua đối với các phân
tích của hệ thống, do giá trị biên độ của chúng quá nhỏ [10]. Mặc dù chúng cũng có
thể ảnh hưởng đễn các thiết bị điện tử công suất thấp, nhưng những tác động của

- 14 -