Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng sóng hài trong lưới phân phối có tụ bù

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

NGUYỄN THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG SÓNG HÀI
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ TỤ BÙ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2017


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

NGUYỄN THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG SÓNG HÀI
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ TỤ BÙ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN XUÂN TÙNG

Hà Nội – Năm 2017


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... iv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. viii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... ix
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ........... 1
1.1 Khái niệm về sóng hài ....................................................................................... 1
1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện............................................ 2
1.2.1 Nguồn hài từ các tải thƣơng mại ............................................................... 2
1.2.1.1 Các bộ nguồn một pha ......................................................................... 3
1.2.1.2 Đèn huỳnh quang ................................................................................. 4
1.2.1.3 .. Các thiết bị biến tần điều chỉnh tốc độ cho hệ thống nhiệt, thơng gió,
điều hóa khơng khí và thang máy. ................................................................... 6
1.2.2 Nguồn hài từ các tải công nghiệp. ............................................................. 6
1.2.2.1 Bộ chỉnh lƣu công suất 3 pha ............................................................... 6
1.2.2.2 Các thiết bị hồ quang ........................................................................... 8
1.2.2.3 Các thiết bị có lõi từ có thể bị bão hòa................................................. 9
1.3 Tổng quan về ảnh hƣởng của sóng hài tới lƣới điện ....................................... 10
1.3.1 Ảnh hƣởng tới máy biến áp ..................................................................... 10
1.3.2 Ảnh hƣởng tới động cơ ............................................................................ 11
1.3.3 Ảnh hƣởng tới hệ số công suất ................................................................ 12
1.3.4 Ảnh hƣởng tới thiết bị đo đếm. ................................................................ 12
1.3.5 Ảnh hƣởng tới thiết bị bảo vệ. ................................................................. 13
1.3.6 Ảnh hƣởng tới các bộ tụ bù ..................................................................... 14
CHƢƠNG 2 HIỆN TƢỢNG CỘNG HƢỞNG SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN
............................................................................................................. 15
2.1 Tổng quan về hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài trong lƣới điện ..................... 15
2.2 Hiện tƣợng cộng hƣởng song song .................................................................. 15
2.2.1 Mô tả hiện tƣợng và các ảnh hƣởng ........................................................ 15
2.2.2 Phƣơng thức tính tốn gần đúng tần số cộng hƣởng song song .............. 17
2.3 Hiện tƣợng cộng hƣởng nối tiếp ...................................................................... 20
2.4 Phân tích một số trƣờng hợp thực tế về cộng hƣởng sóng hài ........................ 24
2.4.1 Trƣờng hợp 1 ........................................................................................... 24
2.4.2 Trƣờng hợp 2 ........................................................................................... 26
2.4.3 Trƣờng hợp 3 ........................................................................................... 29
i


2.4.4 Kết luận .................................................................................................... 32
CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ SƠ BỘ VỀ KHẢ NĂNG CỘNG HƢỞNG SÓNG HÀI
TRÊN XUẤT TUYẾN 374E27.11 CHÂU KHÊ – BẮC NINH ........................... 33
3.1 Đặc điểm về lƣới phân phối tỉnh Bắc Ninh ..................................................... 33
3.1.1 Thông tin chung ....................................................................................... 33
3.1.2 Giới thiệu phụ tải lò cảm ứng trong làng nghề sắt thép Đa Hội .............. 33
3.2 Giới thiệu về lò cảm ứng sử dụng trong nấu thép ........................................... 34
3.2.1 Sơ đồ nguyên lý lò cảm ứng .................................................................... 34
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch điện cấp cho lị cảm ứng ............................... 35
3.3 Phân tích hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài trên xuất tuyến 374E27.11 .......... 37
3.3.1 Thơng số của xuất tuyến 374E27.11. ...................................................... 37
3.3.2 Phân tích phụ tải và sơ lƣợc đánh giá khả năng cộng hƣởng sóng hài .... 37
CHƢƠNG 4 . : MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆN TƢỢNG CỘNG HƢỞNG SÓNG
HÀI CHO XUẤT TUYẾN 374E27.11 CHÂU KHÊ – BẮC NINH ..................... 40
4.1 Giới thiệu phần mềm mơ phỏng PSCAD và cơng cụ tính tốn MATLAB..... 40
4.1.1 Giới thiệu phần mềm PSCAD ................................................................. 40

4.1.2 Giới thiệu phần mềm Matlab ................................................................... 41
4.2 Sơ đồ mô phỏng và các kịch bản đánh giá ...................................................... 44
4.2.1 Sơ đồ mô phỏng lƣới điện trong PSCAD ................................................ 44
4.2.1 Các kịch bản mơ phỏng và kết quả phân tích .......................................... 44
4.2.1.1 Phổ tần sóng hài dịng điện tại thanh góp 35kV ................................ 44
4.2.1.2 Kết quả kịch bản 1: khi các tải hoạt động đầy đủ .............................. 46
4.2.1.3 Kết quả kịch bản 2: chỉ có các tải riêng lẻ hoạt động ........................ 50
4.3 Đánh giá về kết quả mô phỏng ........................................................................ 54
4.4 Kiểm chứng giải pháp ngăn ngừa hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài ............... 54
4.4.1 Kiểm chứng hiệu quả khi thay đổi vị trí lắp đặt bộ tụ bù ........................ 55
4.4.2 Kiểm chứng hiệu quả khi lắp đặt thêm cuộn kháng nối tiếp với bộ tụ bù57
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................ 60
5.1 Kết luận chung về đề tài nghiên cứu ............................................................... 60
5.2 Đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai ..................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 62

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của
ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng
các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang
web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả

Nguyễn Thị Hương

iii

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Xuân Tùng,
giảng viên Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà
Nội, ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài này.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học,
Viện Điện, thƣ viện Tạ Quang Bửu, cùng các giảng viên Trƣờng Đại học Bách khoa
Hà Nội đã hƣớng dẫn tôi trong khóa học và hồn thành đề tài này.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và Viện Đào
tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tơi trong q trình học tập tại trƣờng.
Để có đƣợc ngày hơm nay tơi khơng thể khơng nhắc đến những ngƣời thân trong
gia đình đã tạo một hậu phƣơng vững chắc giúp tơi n tâm hồn thành cơng việc
và nghiên cứu của mình.
Cuối cùng tơi xin gửi tới toàn thể bạn bè và đồng nghiệp lời biết ơn chân thành về
những tình cảm tốt đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi ngƣời đã dành cho tôi
trong suốt thời gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài này.
Nguyễn Thị Hƣơng

iv


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Sóng hài là một trong những vấn đề về chất lƣợng điện năng phổ biến trong
lƣới điện phân phối. Sóng hài đƣợc sinh ra và lan truyền trong hệ thống do việc sử
dụng các tải phi tuyến, các thiết bị điện tử công suất nhƣ các bộ nghịch lƣu, biến
tần, các lò hồ quang, lò điện cảm ứng…Sóng hài có thể gây nhiều vấn đề đối với
các thiết bị trên lƣới nhƣ làm tăng tổn hao do phát nóng, gây rung đối với các động
cơ điện, ảnh hƣởng tới các bộ điều khiển của các thiết bị. Một trong các vấn đề gây

ảnh hƣởng nhiều nhất cả về kinh tế và kỹ thuật là hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài
trong lƣới điện phân phối có lắp đặt các bộ tụ bù. Hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài
có thể gây quá tải các bộ tụ, gây hỏng hóc do quá áp và ảnh hƣởng tới các thiết bị
khác. Một số đơn vị điện lực đã có các báo cáo sơ bộ về việc phải thƣờng xuyên
thay thế các tụ bù trên đƣờng dây gây thiệt hại về kinh tế, các bộ tụ bị hỏng hóc này
thƣờng thuộc về các đƣờng dây cung cấp cho khu vực làng nghề (ví dụ làng nghề
sản xuất sắt thép, dùng các lị điện). Sơ bộ phân tích ngun nhân có thể do ảnh
hƣởng của sóng hài và cộng hƣởng sóng hài.
Xuất phát từ thực tế này, luận văn đi sâu phân tích về hiện tƣợng cộng hƣởng
sóng hài trong lƣới điện phân phối để cung cấp các cơ sở lý thuyết cũng nhƣ xác
định nguyên nhân có thể gây ra việc hỏng hóc các bộ tụ bù trong lƣới điện phân
phối.
Lịch sử nghiên cứu
Vấn đề ảnh hƣởng của sóng hài tới các trang thiết bị trên lƣới điện đã đƣợc
công bố trong nhiều tài liệu và bài báo. Tại Việt Nam, chƣa thấy có các cơng trình
nghiên cứu nào liên quan tới hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài. Mặt khác, việc tính
tốn phân tích hiện tƣợng này cần dựa trên sơ đồ cụ thể của lƣới điện và hiện trạng
các trang thiết bị khác, do đó mỗi trƣờng hợp sẽ là một nghiên cứu riêng, độc lập.
v


Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Nội dung luận văn nghiên cứu về các hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài trong
lƣới điện phân phối có trang bị các tụ bù. Mục đích chính là sẽ tìm ra các trạng thái
vận hành bất lợi có thể xảy ra cộng hƣởng với lƣới điện, từ đó xem xét đề xuất các
giải pháp để giảm bớt các ảnh hƣởng này. Luận văn sẽ tính tốn áp dụng với một
xuất tuyến đƣờng dây phân phối hiện đang cấp điện cho làng nghề thuộc vùng quản
lý của Điện lực Bắc Ninh.
Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản
Mục tiêu chính của luận văn bao gồm:

-

Tổng quan về sóng hài trong hệ thống điện: các nguồn phát sinh sóng hài và ảnh
hƣởng của sóng hài tới các thiết bị khác trong lƣới điện.

-

Phân tích lý thuyết về hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài và các hệ quả

-

Phân tích áp dụng với lộ đƣờng dây 35kV cung cấp điện cho làng nghề có sử
dụng các lị nấu thép kiểu cảm ứng.
Nội dung của luận văn đƣợc chia làm 5 chƣơng nhƣ sau:

- Chƣơng 1: Tổng quan về sóng hài trong hệ thống điện.
- Chƣơng 2: Hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài và các hệ quả. Trong chƣơng này
cũng sẽ phân tích một số trƣờng hợp thực tế trên thế giới đã bị ảnh hƣởng của
hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài.
- Chƣơng 3: Phân tích đánh giá sơ bộ về khả năng cộng hƣởng sóng hài với lƣới
điện 35kV cung cấp điện cho khu vực làng nghề có sử dụng các lò nấu thép kiểu
cảm ứng. Các lò nấu thép này chính là nguồn phát sinh sóng hài, gây ảnh hƣởng
tới các bộ tụ và thiết bị khác trong lƣới lân cận. Chƣơng này sẽ phân tích sơ bộ
dựa theo các công thức gần đúng và nêu ra sự cần thiết phải sử dụng phần mềm
mô phỏng.

vi


- Chƣơng 4: Mô phỏng đánh giá hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài cho xuất tuyến

374 E27.11 Châu Khê (Bắc Ninh) và đề xuất giải pháp xử lý hiện tƣợng cộng
hƣởng sóng hài cho lƣới điện này.
- Chƣơng 5: Kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.
Các đóng góp mới của tác giả
Tác giả đã nghiên cứu chuyên sâu về hiện tƣợng cộng hƣởng sóng hài và đã
áp dụng các công cụ phần mềm hiện đại để phân tích cho một lƣới điện thực tế.
Đồng thời tác giả cũng đã đề xuất đƣợc giải pháp để giảm ảnh hƣởng của hiện
tƣợng cộng hƣởng sóng hài tới các bộ tụ bù.

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng biểu

Trang

Bảng 3.3.1: Thông số các máy biến áp .....................................................................37
Bảng 3.3.2: Thông số đƣờng dây ..............................................................................37
Bảng 4.2.1: Dịng điện hài tại thanh góp 35kV trƣờng hợp đầy tải ..........................44
Bảng 4.2.2: Dịng điện hài tại thanh góp 35kV trƣờng hợp non tải ..........................45

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Trang

Hình 1.1.1: Dịng điện và điện áp bị méo dạng do tải phi tuyến ................................1
Hình 1.1.2: Dạng sóng và phổ tần của một dịng điện bị méo dạng sóng...................2
Hình 1.2.1: Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) ..............................................................3
Hình 1.2.2: Dạng sóng dịng điện và phổ tần của SMPS ............................................4
Hình 1.2.3: Dạng sóng dịng điện và phổ tần của đèn huỳnh quang chấn lƣu điện từ 5
Hình 1.2.4: Dạng sóng dịng điện và phổ tần của đèn huỳnh quang chấn lƣu điện tử
với THD=144% ...........................................................................................................5
Hình 1.2.5: ADS một chiều 6 xung .............................................................................7
Hình 1.2.6: Điều khiển động cơ xoay chiều công suất lớn sử dụng biến tần loại
nguồn áp và nguồn dịng. ............................................................................................7
Hình 1.2.7: Dịng điện và phổ hài của biến tần loại nguồn dịng ................................8
Hình 1.2.8: Dịng điện và phổ hài của của biến tần sử dụng phƣơng pháp điều khiển
độ rộng xung ...............................................................................................................8
Hình 1.2.9: Đặc tính từ hóa của lõi thép .....................................................................9
Hình 1.2.10: Dịng pha A và phổ của nó khi Uvh = 110%Uđm ..................................10
Hình 1.3.1: Chiều của các dòng điện hài: (a) – đối với tải phi tuyến; (b) – đối với tải
tuyến tính khi điện áp bị méo dạng. ..........................................................................13
Hình 1.3.2: Hƣ hỏng của bộ tụ do ảnh hƣởng của sóng hài. .....................................14
Hình 2.2.1: Cấu hình hệ thống có thể xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng song song .....15
Hình 2.2.2: Sơ đồ thay thế đơn giản của mạch cộng hƣởng song song. ...................16
Hình 2.2.3: Đáp tuyến hệ thống tần số khi thay đổi dung lƣợng tụ ..........................17
Hình 2.2.4: Sơ đồ hệ thống cộng hƣởng song song trên BUS-1 ...............................19
Hình 2.2.5: Độ lớn tổng trở tƣơng đƣơng của hệ thống nhìn từ BUS-1 theo tần số .19
Hình 2.2.6: Dòng điện khuếch đại của mạch cộng hƣởng song song. ......................20
Hình 2.3.1: Cấu hình hệ thống có thể xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng nối tiếp .........21
Hình 2.3.2: Tần số cộng hƣởng của mạch cộng hƣởng nối tiếp. ..............................21
Hình 2.3.3: Sơ đồ hệ thống cộng hƣởng nối tiếp trên BUS-1 ...................................22
Hình 2.3.4: Độ lớn trở kháng tƣơng đƣơng của hệ thống theo tần số .......................23
Hình 2.3.5: Dịng điện bị khuếch đại khi cộng hƣởng sóng hài................................23
Hình 2.4.1: Sơ đồ một sợi tƣơng đƣơng của nhà máy ..............................................24

Hình 2.4.2: Sơ đồ một sợi với 2 máy M1, M2 vận hành ..........................................25
ix


Hình 2.4.3: Trở kháng nhìn từ BUS-2 và dịng điện với M1, M2 vận hành. ............26
Hình 2.4.4: Sơ đồ một sợi của nhà máy xi măng ......................................................27
Hình 2.4.5: Trở kháng nhìn từ thanh góp MC1 và dịng điện khuếch đại với động cơ
cơng suất 2300Hp khơng vận hành. ..........................................................................29
Hình 2.4.6: Sơ đồ nối điện của nhà máy giấy ...........................................................30
Hình 2.4.7: Quá điện áp do bộ tụ vận hành với hệ thống khơng tải. ........................30
Hình 2.4.8: Đặc tính trở kháng – tần số nhìn từ thanh góp nhà máy khi bộ lọc sóng
hài đang vận hành ......................................................................................................31
Hình 2.4.9: Dịng điện khuếch đại qua bộ điều chỉnh công suất phản kháng với
nguồn và bộ tụ vận hành ...........................................................................................32
Hình 3.2.1: Cấu trúc nguyên lý của lị cảm ứng loại khơng lõi thép ........................34
Hình 3.2.2: Sơ đồ ngun lý lị cảm ứng ..................................................................35
Hình 3.2.3: Phổ tần của một lị điện cảm ứng ...........................................................36
Hình 3.3.1: Sơ đồ xuất tuyến 374 E27.11 .................................................................37
Hình 4.1.1: Giới thiệu các phần mềm mơ phỏng ......................................................40
Hình 4.1.2: Giao diện chính của phần mềm PSCAD ................................................41
Hình 4.1.3: Giao diện chính của Matlab ...................................................................43
Hình 4.1.4: Giao diện của của sổ soạn thảo các lệnh ................................................43
Hình 4.2.1: Sơ đồ mơ phỏng lƣới điện trong PSCAD ..............................................44
Hình 4.2.2: Phổ tần sóng hài dịng điện tại thanh góp 35kV trƣờng hợp đầy tải ......44
Hình 4.2.3: Tổng độ méo hài tại thanh góp 35 kV trƣờng hợp đầy tải .....................45
Hình 4.2.4: Phổ tần dịng điện tại thanh góp 35kV trƣờng hợp non tải. ...................45
Hình 4.2.5: Tổng độ méo hài tại thanh góp 35kV trƣờng hợp non tải ......................45
Hình 4.2.6: Tổng trở theo tần số khi đầy tải, tụ bù 35kV đang đóng nhìn từ tải 4 ...46
Hình 4.2.7: Tổng trở theo tần số khi đầy tải, tụ bù 35kV đang cắt nhìn từ tải 4 ......46
Hình 4.2.8: Tổng trở theo tần số khi đầy tải, tụ bù 35kV đang đóng nhìn từ tải 3 ...47

Hình 4.2.9: Tổng trở theo tần số khi đầy tải, tụ bù 35kV đang cắt nhìn từ tải 3 ......47
Hình 4.2.10: Tổng trở theo tần số khi đầy tải, tụ bù 35kV đang đóng nhìn từ tải 2 .48
Hình 4.2.11: Tổng trở theo tần số khi đầy tải, tụ bù 35kV đang cắt nhìn từ tải 2 ....48
Hình 4.2.12: Tổng trở theo tần số khi đầy tải, tụ bù 35kV đang đóng nhìn từ tải 1 .49
Hình 4.2.13: Tổng trở theo tần số khi đầy tải, tụ bù 35kV đang cắt nhìn từ tải 1 ....49
Hình 4.2.14: Tổng trở theo tần số khi chỉ có tải 4, tụ bù 35kV đang đóng...............50
Hình 4.2.15: Tổng trở theo tần số khi chỉ có tải 4, tụ bù 35kV đang cắt ..................50
Hình 4.2.16: Tổng trở theo tần số khi chỉ có tải 3, tụ bù 35kV đang đóng...............51
Hình 4.2.17: Tổng trở theo tần số khi chỉ có tải 3, tụ bù 35kV đang cắt ..................51
x


Hình 4.2.18: Tổng trở theo tần số khi chỉ có tải 2, tụ bù 35kV đang đóng...............52
Hình 4.2.19: Tổng trở theo tần số khi chỉ có tải 2, tụ bù 35kV đang cắt ..................52
Hình 4.2.20: Tổng trở theo tần số khi chỉ có tải 1, tụ bù 35kV đang đóng...............53
Hình 4.2.21: Tổng trở theo tần số khi chỉ có tải 1, tụ bù 35kV đang cắt ..................53
Hình 4.4.1: Tổng trở theo tần số khi lắp bộ tụ giữa xuất tuyến, phụ tải 1 vận hành .55
Hình 4.4.2: Tổng trở theo tần số khi lắp bộ tụ cuối xuất tuyến, phụ tải 4 vận hành .56
Hình 4.4.3: Tổng trở theo tần số khi lắp nối tiếp cuộn kháng có giá trị 0.01 (H) .....57
Hình 4.4.4: Tổng trở theo tần số khi lắp nối tiếp cuộn kháng có giá trị 0.05 (H) .....58
Hình 4.4.5: Tổng trở theo tần số khi lắp nối tiếp cuộn kháng có giá trị 0.1 (H) .......58
Hình 4.4.6: Tổng trở theo tần số khi lắp nối tiếp cuộn kháng có giá trị 0.15 (H) .....59
Hình 4.4.7: Tổng trở theo tần số khi lắp nối tiếp cuộn kháng có giá trị 0.2 (H) .......59

xi


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1

Khái niệm về sóng hài
Điện áp đƣợc phát ra từ các nhà máy điện thƣờng đƣợc coi là thuần sóng sin.

Tuy nhiên khi càng gần phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì dạng sóng
điện áp này ngày càng bị méo, khơng cịn hình sinh nữa. Tải phi tuyến là loại tải mà
dòng điện biến đổi khơng tỉ lệ thuận với điện áp. Hình 1.1.1 minh họa khái niệm
này:

n 1.1.1: Dòng điện và điện áp bị méo dạng do tải p i tuyến
Giả sử một nguồn điện thuần sin đƣợc cấp cho một bộ chỉnh lƣu cầu 1 pha. Dễ dàng
nhận thấy rằng đặc điểm của bộ chỉnh lƣu cầu 1 pha là dòng điện sẽ khơng sin hay
nói cách khác là dịng điện bị méo dạng Ih. Dòng điện Ih chạy trên dây dẫn sẽ sinh
ra một điện áp rơi cũng bị méo dạng V=Ih*Zh. Do đó, mặc dù điện áp nguồn là
thuần sin nhƣng điện áp tại điểm đấu nối chung của các thiết bị khác sẽ bị méo dạng
sóng. Do vậy, nếu các thiết bị khác đƣợc đấu chung vào cùng thanh cái này sẽ phải
chịu điện áp không sin đặt vào:
Unguồn(sin)-ΔU(không sin) = Uthanh cái (khơng sin)
Dựa trên phân tích Fourier: một dạng sóng chu kỳ v(t) bất kỳ có thể đƣợc phân tích
thành các thành phần sóng sin điều hịa:
V(t)=V0 + [ak*cos(kwt) + bk*sin(kwt)], với k=[1,)


Hay

V(t) = V0 +  (ck*sin(kw0t + k)
k 1

Trong đó :
1

w0 = 2/T = 2f0 : Tần số góc cơ bản ;
ak =

1





 v(t ) * cos(kw0t )dt , bk =



1





 v(t ) * sin(kw t )dt , (k = 1, 2, 3, …, n)
0



Dƣới đây là ví dụ dạng sóng và phổ tần dựa trên phân tích Fourier của một dịng
điện bị méo dạng:

n 1.1.2: Dạng sóng và p ổ tần của một dịng điện bị méo dạng sóng
Nhƣ vậy một dạng sóng bị méo dạng bởi vì ngồi thành phần cơ bản (f=50Hz) nó

cịn chứa thành phần hài bậc ngồi tần số cơ bản.

1.2

Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện

1.2.1 Nguồn hài từ các tải thương mại
Các cơ sở thƣơng mại nhƣ khu văn phòng, siêu thị, bệnh viện và các trung
tâm dữ liệu internet đang sử dụng nhiều các loại đèn huỳnh quang với chấn lƣu
điện tử, các biến tần điều chỉnh tốc độ cho hệ thống cấp nhiệt, thơng gió và điều
hịa khơng khí, thang máy và các thiết bị điện tử nhạy cảm khác đƣợc cung cấp bởi
2


chế độ nguồn điện một pha. Tải thƣơng mại đƣợc đặc trƣng bởi số lƣợng tải lớn,
dòng hài từ mỗi tải sinh nhỏ. Tùy thuộc vào các loại tải khác nhau mà dịng hài
sinh ra có thể tự triệt tiêu hoặc tăng thêm lẫn nhau. Đặc điểm của các tải thƣơng
mại điển hình đƣợc chi tiết trong các phần dƣới đây[8]:
1.2.1.1Các bộ nguồn một p a
Có hai loại nguồn cấp công suất một pha chủ yếu. Công nghệ cũ hơn sử dụng
phƣơng pháp điều khiển điện áp xoay chiều (chẳng hạn nhƣ máy biến áp) để giảm
điện áp tới mức yêu cầu. Máy biến áp là một cuộn cảm do vậy có khả năng cản trở,
làm mịn dạng sóng đầu vào, giảm bớt các thành phần hài.
Công nghệ mới hơn sử dụng các bộ nguồn chuyển mạch (Switched Mode Power
Supply - SMPS) sử dụng các thiết bị điện tử công suất để biến dổi điện áp thành
một chiều với khả năng tự động điều chỉnh và duy trì điện áp đầu ra (Hình 1.2.1).
Các bộ nguồn loại này đƣợc sử dụng phổ biến trên các thiết bị nhƣ máy tính, máy
in, máy photocopy và hầu hết các thiết bị điện tử một pha khác hiện nay. Các ƣu
điểm chính là khối lƣợng nhẹ, kích thƣớc nhỏ gọn, hiệu quả vận hành cao và thiếu
sự cần thiết của máy biến áp. Hình 1.2.2 minh họa dạng sóng dịng điện và phổ tần

tƣơng ứng của loai nguồn SMPS này.

n 1.2.1: Bộ nguồn c uyển mạc (SMPS)

3


n 1.2.2: Dạng sóng dịng điện và p ổ tần của SMPS
Một đặc điểm nổi bật của SMPS là thành phần hài bậc ba rất cao trong dòng điện.
Thành phần dịng điện hài bậc ba có tính chất tƣơng tự thành phần dịng điện thứ tự
khơng, do đó sẽ đi vào dây trung tính và có thể gây q tải dây dẫn trung tính trong
các tịa nhà văn phịng.
1.2.1.2Đèn uỳn quang
Đèn huỳnh quang sử dụng chấn lƣu để mồi phóng điện ban đầu, có hai loại
chấn lƣu là chấn lƣu cảm ứng điện từ và chấn lƣu điện tử.
Một chấn lƣu điện từ có cấu tạo gồm một cuộn dây có lõi thép với một tụ điện đi
kèm. Chấn lƣu điện từ có lõi thép do vậy sẽ chịu thêm tổn thất điện năng do phát
nhiệt, làm giảm hiệu quả so với chấn lƣu điện tử. Hình 1.2.3 biểu diễn dạng sóng
dịng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang với chấn lƣu điện từ, tổng độ méo hài
dòng điện khoảng THDi=15%.

4


n 1.2.3: Dạng sóng dịng điện và p ổ tần của đèn uỳn quang c ấn lưu điện từ
Chấn lƣu điện tử sử dụng các thiết bị điện tử để chuyển đổi điện áp tần số cơ bản
thành điện áp ở tần số cao hơn nhiều, thƣờng trong khoảng từ 25 ÷ 40 kHz. Tần số
cao này có 02 ƣu điểm. Thứ nhất là một điện cảm nhỏ cũng đủ để hạn chế dòng điện
hồ quang. Thứ hai là, tần số cao giúp loại bỏ hoặc làm giảm đáng kể các các nhấp
nháy từ 100 ÷ 120 Hz so với loại chấn lƣu điện từ lõi sắt. Hình 1.2.4 biều diễn dạng

sóng dịng điện và phổ hài của đèn huỳnh quang dùng chấn lƣu điện tử với tổng độ
méo hài dòng điện lên tới mức THDi = 144%.

n 1.2.4: Dạng sóng dịng điện và p ổ tần của đèn uỳn quang c ấn lưu điện tử
với T D=144%
5


Vì đèn huỳnh quang là một nguồn phát sinh sóng hài trong các tòa nhà thƣơng mại,
chúng thƣờng đƣợc phân bố đều nhau giữa ba pha để đảm bảo cân bằng tải. Nếu
máy biến áp cấp nguồn cho khu văn phịng có tổ đấu dây tam giác, sẽ làm giảm
thành phần hài bậc ba chảy trong lƣới điện, tuy nhiên nếu máy biến áp nối Y-Y sẽ
không thể loại bỏ thành phần hài bậc ba cho dù cân bằng giữa các pha nhƣ thế nào.
1.2.1.3Các t iết bị biến tần điều c ỉn tốc độ c o ệ t ống n iệt, t ơng gió, điều
hóa khơng khí và thang máy.
Các thiết bị biến tần điều chỉnh tốc độ (Adjustable Speed Drive - ASD) sử
dụng phổ biến để điều khiển động cơ thang máy, máy bơm và quạt trong hệ thống
điều hịa. Thiết bị biến tần gồm có bộ chỉnh lƣu đầu vào, bộ băm xung để điều khiển
điện áp và tần số đầu ra. Việc điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra cho phép điều
khiển tốc độ động cơ để phù hợp với yêu cầu ứng dụng. Biến tần cũng đƣợc sử
dụng phổ biến trong các tải công nghiệp.
1.2.2 Nguồn hài từ các tải công nghiệp.
Các cơ sở công nghiệp đƣợc đặc trƣng bởi việc ứng dụng rộng rãi các tải phi
tuyến. Các tải phi tuyến nói chung có thể chi thành 03 loại: các bộ chỉnh lƣu công
suất 3 pha, các thiết bị hồ quang và các thiết bị có lõi thép có thể bão hịa.
1.2.2.1Bộ c ỉn lưu công suất 3 p a
Bộ chỉnh lƣu công suất 3 pha khác biệt với bộ chỉnh lƣu cơng suất 1 pha bởi
vì nó khơng sinh ra dịng điện hài bậc 3. Đây là một ƣu điểm lớn bởi vì thành phần
hài bậc 3 là thành phần hài lớn nhất. Tuy nhiên nó vẫn có thể là một nguồn đáng kể
sinh ra sóng hài tại một số tần số đặc trƣng.

* Động cơ điện một chiều
Bộ chỉnh lƣu cung cấp điện áp một chiều cho các động cơ điện một chiều. So
sánh với động cơ xoay chiều, động cơ một chiều cung cấp một dải tốc độ rộng hơn
và mô men khởi động lớn hơn. Tuy nhiên giá thành và chi phí bảo dƣỡng động cơ
một chiều cao, trong khi giá trị của các thiết bị điện tử lại giảm theo hàng năm.
Chính vì vậy, những u cầu về tính kinh tế đã giới hạn sự tham gia của động cơ
một chiều trong những ứng dụng cần đến đặc tính tốc độ và mơ men tốt của động cơ
6


một chiều. Hầu hết các động cơ một chiều sử dụng bộ chỉnh lƣu 6 – xung nhƣ hình
dƣới đây:

n 1.2.5: ADS một c iều 6 xung
Những động cơ lớn có thể sử dụng bộ chỉnh lƣu 12 xung với ƣu điểm là thành phần
hài nhỏ hơn. Hai thành phần dòng điện hài xoay chiều lớn nhất đối với bộ chỉnh lƣu
6 xung là hài bậc 5 và bậc 7. Bộ chỉnh lƣu 12 xung có thể loại bỏ 90% thành phần
hài bậc 5 và 7. Nhƣng bộ chỉnh lƣu 12 xung là giá thành đắt hơn.
* Động cơ điện xoay chiều
Các biến tần đƣợc sử dụng khá phổ biến để điều chỉnh tốc độ các động cơ
trong công nghiệp (Hình 1.2.6).

n 1.2.6: Điều k iển động cơ xoay c iều công suất lớn sử dụng biến tần loại
nguồn áp và nguồn dòng.
7


Dƣới đây là dạng sóng dịng điện và phổ tần của một số loại biến tần.

n 1.2.7: Dòng điện và p ổ ài của biến tần loại nguồn dòng

n 1.2.8: Dòng điện và p ổ ài của của biến tần sử dụng p ương p áp điều k iển
độ rộng xung
1.2.2.2Các t iết bị ồ quang
Các thiết bị hồ quang phổ biến trong công nghiệp bao gồm hàn hồ quang
hoặc lò hồ quang và đèn hồ quang chiếu sáng.

8


Các đặc tính điện áp – dịng điện của hồ quang điện là phi tuyến. Sau khi mồi hồ
quang (sau khi đánh lửa) điện áp giảm thì dịng điện hồ quang tăng lên, dòng điện
này chỉ đƣợc hạn chế bởi trở kháng của hệ thống.
Các thành phần hài của lò hồ quang và các thiết bị phóng điện hồ quang khác tƣơng
tự đƣợc biểu diễn trong hình 1.2 – 3. Thiết bị phóng điện hồ quang 3 pha có thể
đƣợc bố trí cân bằng tải 3 pha để loại bỏ thành phần hài bậc 3 chạy qua máy biến
áp. Tuy nhiên lị hồ quang 3 pha hoạt động khơng cân bằng thƣờng xuyên trong giai
đoạn nấu chảy nên sẽ có nhiều hài bậc 3. Trong giai đoạn tinh luyện khi hồ quang
ổn định hơn thì mức độ hài bậc 3 có giảm xuống.
1.2.2.3Các t iết bị có lõi từ có t ể bị bão òa
Thiết bị loại này bao gồm máy biến áp và các thiết bị điện từ có lõi thép khác
nhƣ động cơ điện. Sóng hài đƣợc phát sinh do đặc tính từ hóa phi tuyến của lõi thép

n 1.2.9: Đặc tín từ óa của lõi t ép
* Đƣờng cong từ hóa và hiện tƣợng bão hịa mạch từ.
Mạch từ có cấu trúc đặc biệt về phƣơng diện từ. Trong mạch từ có nhiều
miền từ hóa tự nhiên đó là các nam châm nhỏ. Ở điều kiện thƣờng các kim nam
châm sắp xếp hỗn loạn, khi đó lõi thép khơng có từ tính. Khi lõi thép đặt trong từ
trƣờng ngoài các nam châm nhỏ sắp xếp theo từ trƣờng ngồi, khi đó trong sắt có từ
tính. Khi từ trƣờng ngồi càng lớn thì càng có nhiều nam châm đƣợc đính hƣớng

cùng nhau. Khi từ trƣờng ngồi tăng đến một mức nào đó thì tất cả các kim nam
9


châm này đƣợc định hƣớng giống nhau. Nếu tiếp tục tăng từ trƣờng ngồi, từ thơng
cũng khơng thể lớn hơn đƣợc nữa, khi đó mạch từ bị bão hịa.
* Cơ chế phát sinh sóng hài.
Hiện tƣợng bão hịa mạch từ là một nguyên nhân gây ra sóng hài. Khi biên độ
điện áp từ thông đủ lớn (hiện tƣợng quá từ thơng) để rơi vào vùng khơng tuyến tính
trên đƣờng cong B-H của mạch từ sẽ dẫn đến dòng điện bị méo dạng và chứa thành
phần sóng hài mặc dù sóng điện áp đặt vào vẫn là hình sin.
Máy biến áp đƣợc thiết kế để vận hành chỉ dƣới điểm gập của đặc tính từ hóa (Hình
1.2.9). Thơng thƣờng dịng từ hóa chiếm khoảng 1-2% dịng định mức. Tuy nhiên
khi điện áp tăng dẫn tới điểm làm việc rơi vào vùng phi tuyến, hệ quả là dịng từ
hóa tăng mạnh và bị méo dạng sóng và máy biến áp trở thành nguồn phát sóng hài.
Dƣới đây là đặc tính sóng dịng điện và phổ tần của máy biến áp khi điện áp quá tải
10%

n 1.2.10: Dòng p a A và p ổ của nó k i Uvh = 110%Uđm
1.3

Tổng quan về ảnh hƣởng của sóng hài tới lƣới điện
Dịng điện hài đƣợc tạo ra bởi các tải phi tuyến dƣợc bơm vào hệ thống cung

cấp. Những dịng điện này có thể tƣơng tác bất lợi với một loạt các thiết bị của hệ
thống điện, đặc biệt là tụ điện, máy biến áp, động cơ gây nên tăng tổn thất, quá nhiệt
và quá tải [5].
1.3.1 Ảnh hưởng tới máy biến áp
Lõi thép của máy biến áp gồm các lá tôn silic mỏng ghép lại, các lá thép này
đƣợc thiết kế để hoạt động ở tần số 50Hz hoặc 60Hz. Khi làm việc ở tần số hài cao

10


hơn sẽ làm tăng tổn thất do dịng điện xốy (dịng điện Fuco). Sự phát nóng do sóng
hài sẽ làm giảm khả năng tải , giảm tuổi thọ máy biến áp do q trình già hóa cách
điện, tăng tổn thất điện năng. Thành phần hài dịng điện có thể gây 03 ảnh hƣởng
đến máy biến áp:
- Dòng điện hiệu dụng (Irms): máy biến áp có kích thƣớc và cơng suất kVA
thiết kế theo yêu cầu của tải, dòng điện hài có thể làm cho dịng điện hiệu dụng tăng
hơn so với khả năng của nó. Việc tăng tổng dịng điện hiệu dụng sẽ gây ra tăng tổn
thất: Irms =

1
* I12  I 22  I 32  ...  I h2max
2

(Trong đó: I1, I2, … là biên độ của sóng dịng điện tƣơng ứng)
- Tổn thất dịng điện xốy: Đây là dòng điện cảm ứng trong máy biến áp
đƣợc sinh ra bởi từ thơng. Những dịng điện cảm ứng này chạy trong cuộn dây,
trong lõi thép và trong các vật liệu cảm ứng khác liên quan đến từ trƣờng của máy
biến áp và gây ra hiện tƣợng phát nóng. Thành phần tổn thất này của máy biến áp
tăng lên bình phƣơng lần tần số của dòng điện gây ra bởi dịng điện xốy. Vì vậy,
đây là một thành phần tổn thất rất quan trọng của máy biến áp do phát nóng hài.
Ifuco =

U
d
=
R
dt * R

Trƣờng hợp từ trƣờng đồng nhất và biến đổi điều hòa: =0 sin(wt)
Ifuco =

0 * w * cos wt
R

- Tổn thất lõi: Sự gia tăng tổn thất lõi trong sự hiện diện của sóng hài sẽ phụ
thuộc vào ảnh hƣởng của sóng hài trên điện áp áp dụng thiết kế của lõi máy biến áp.
Việc méo hài điện áp tăng có thể làm tăng dịng điện xoáy trong lõi thép. Điều này
sẽ phụ thuộc vào độ dày và chất lƣợng của lõi thép.
1.3.2 Ảnh hưởng tới động cơ
Động cơ có thể bị ảnh hƣởng đáng kể bởi sự méo dạng điện áp hài. Méo hài
điện áp tại các cực động cơ đƣợc chuyển thành hài từ thơng trong động cơ. Hài từ
thơng khơng đóng góp đáng kể đến mô men xoắn của động cơ nhƣng quay ở một
tần số khác tần số đồng bộ, về cơ bản cảm ứng ra dòng điện tần số cao trong rơ to.
Ảnh hƣởng tới động cơ tƣơng tự nhƣ dịng điện thứ tự nghịch tại tần số cơ bản.
11


Thƣờng không cần phải giảm công suất động cơ nếu méo dạng điện áp nằm trong
tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 giới hạn 5% THD và 3% cho bất kỳ hài riêng lẻ. Vấn
đề phát nóng quá mức bắt đầu khi méo dạng điện áp đạt 8%  10% và cao hơn.
1.3.3 Ảnh hưởng tới hệ số cơng suất
Sóng hài làm giảm hệ số cơng suất nhƣ phân tích sau đây:
Hệ số cơng suất cos đƣợc tính nhƣ sau: cos=

P
U *I

Trƣờng hợp sóng điện áp là hình sin, sóng dịng điện khơng phải hình sin thì
U=U1;

I=I= I12   I i2

Trong đó I1 là giá trị hiệu dụng của dịng điện cơ bản, Ii là giá trị hiệu dụng của các
dịng điện hài bậc I (i=2,3,4,…)
Mặt khác ta có: THDi =
 cos =

P

U1 I 

P
P
1
= cos1 *k

*
THD% 2 U1 I1
THD% 2
U 1 I1 1  (
)
1 (
)
100
100

Trong đó: - cos1=

- k=

 I i2
*100%
I1

P
là hệ số công suất cho thành phần cơ bản
U 1 * I1

1
THD% 2
1 (
)
100

Nhận thấy k luôn nhỏ hơn 1 nên hệ số cơng suất khi có sóng hài bị giảm đi so với
khi khơng có sự xuất hiện của sóng hài.
1.3.4 Ảnh hưởng tới thiết bị đo đếm
Dịng điện hài từ các tải phi tuyến có thể ảnh hƣởng bất lợi đến việc tính tốn
chính xác của công tơ đo đếm điện năng. Công tơ đo đếm điện truyền thống hoạt
động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Đĩa quay trong công tơ đo đếm quay với
tốc độ tỷ lệ thuận với dòng năng lƣợng. Đĩa quay này lần lƣợt đẩy một loạt các bánh
răng mà di chuyển trên thanh ghi.

12