Nghiên cứu lựa chọn thiết bị lọc sóng hài thụ động dành cho tải chỉnh lưu ba pha

..

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

Trần Đức Thắng

1


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 gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài
này.

Tác giả

Trần Đức Thắng

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................9
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG
HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .............................................................................13
1.1. Phân loại chất lƣợng điện năng ..........................................................................13
1.2. Khái niệm về sóng hài ........................................................................................16
1.3. Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện ..............................................17
1.4. Các tiêu chuẩn khuyến cáo về mức độ sóng hài trong hệ thống điện ................18
1.5. Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện ............................................20
1.5.1. Các máy biến áp ...................................................................................21
1.5.2. Các động cơ..........................................................................................22
1.5.3. Các thiết bị điện tử công suất ...............................................................23
1.5.4. Các thiết bị hồ quang ...........................................................................25
1.6. Ảnh hƣởng của sóng hài tới hệ thống và các thiết bị .........................................26
1.6.1. Hiện tƣởng cộng hƣởng tại tần số sóng hài .........................................27
1.6.2. Ảnh hƣởng tới các động cơ và máy biến áp ........................................29
1.6.3. Ảnh hƣởng tới hệ số công suất.............................................................30

1.6.4. Ảnh hƣởng tới các bộ tụ bù ..................................................................31
1.6.5. Ảnh hƣởng tới thiết bị bảo vệ ..............................................................31
1.6.6. Ảnh hƣởng tới thiết bị đo đếm .............................................................32
CHƢƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI .......................................33
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .....................................................................................33
2.1. Tổng quan về các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện ....................33

3


2.2. Các bộ lọc sóng hài thụ động .............................................................................34
2.2.1. Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp ...............................................................34
2.2.2. Bộ lọc thụ động kiểu song song ..........................................................35
2.3. Các bộ lọc sóng hài tích cực ..............................................................................35
2.3.1. Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu song song .......................................35
2.3.2. Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu nối tiếp ...........................................36
2.4. Các bộ lọc hỗn hợp (kiểu lai ghép) ....................................................................37
2.5. So sánh giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động ..............................................37
2.6. Các loại bộ lọc thụ động phổ biến ......................................................................38
2.7. Hƣớng nghiên cứu của luận văn ........................................................................42
CHƢƠNG 3: QUI TRÌNH TÍNH TỐN THAM SỐ CHO BỘ LỌC .....................43
CỘNG HƢỞNG ĐƠN ..............................................................................................43
3.1. Qui trình chung để thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động ........................................43
3.2. Các tham số cần lựa chọn trƣớc đối với bộ lọc cộng hƣởng ..............................46
3.2.1. Lựa chọn hệ số chất lƣợng Q cho bộ lọc .............................................46
3.2.2. Lựa chọn tần số cộng hƣởng cho bộ lọc ..............................................47
3.3. Các phƣơng trình sử dụng trong tính tốn thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng
hƣởng đơn .................................................................................................................50
CHƢƠNG 4: TÍNH TỐN KIỂM NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN ...............................54
4.1. Các thông số đầu vào .........................................................................................54

4.1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................54
4.1.2. Giới thiệu sơ lƣợc về phần mềm PSCAD ............................................54
4.1.3. Sơ đồ lƣới điện đƣợc tính tốn áp dụng ...............................................55
4.2. Chi tiết tính tốn thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hƣởng đơn .......................62
4.3. Kết quả chạy mô phỏng với các tham số của bộ lọc đã tính ..............................64
4.4. Tính tốn bổ sung thêm bộ lọc bậc 7 .................................................................67
4.5. Tính tốn lắp đặt tổ hợp bộ lọc bậc 5 và bậc 11 ................................................69
4.6. Tính tốn kiểm nghiệm với việc lắp đặt tổ hợp của ba bộ lọc bậc 5, bậc 7 và bậc
11 ...............................................................................................................................71

4


4.7. Tính tốn kiểm nghiệm với việc lắp đặt tổ hợp của bộ lọc bậc 5, bậc 7, bậc 11
và bậc 13....................................................................................................................73
4.8. Kết luận chung và đánh giá tần số cộng hƣởng của lƣới điện sau khi lắp bộ lọc
...................................................................................................................................74
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................76
5.1. Kết luận ..............................................................................................................76
5.2. Hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .....................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................78

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CL

: Chỉnh lƣu

CSPK : Công suất phản kháng
CSTD : Công suất tác dụng
CLĐN : Chất lƣợng điện năng
HTĐ

: Hệ thống điện

MBA : Máy biến áp
NL

: Nghịch lƣu

THD

: Tổng độ méo sóng hài

TDD

: Tổng độ méo nhu cầu

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng .............................................16
Hình 1.2: Sóng bị méo dạng và phân tích Furier tƣơng ứng .....................................17
Hình 1.3: Điện áp sin qua tải phi tuyến tạo ra dịng điện khơng sin .........................20
Hình 1.4: Cơ chế phát sinh sóng hài sinh ra do hiện tƣợng bão hòa mạch từ...........21
máy biến áp ...............................................................................................................21
Hình 1.5: Dạng sóng và phổ tần dịng điện khi máy biến áp hoạt động trong điều

kiện quá áp 10% ........................................................................................................22
Hình 1.6: Dịng điện của máy lạnh với THD=6,3% .................................................23
Hình 1.6: Dịng điện của điều hịa với THD=10,5% ................................................23
Hình 1.7: Dạng sóng điện áp và dịng pha A của bộ chỉnh lƣu ................................24
Hình 1.8: Dạng sóng dịng điện, phổ tần và tổng độ méo sóng hài của một số tải phi
tuyến khác .................................................................................................................24
Hình 1.9: Phổ tần dịng điện của lị hồ quang ...........................................................25
Hình 1.10: Phân loại ảnh hƣởng của sóng hài tới hệ thống và thiết bị .....................26
Hình 2.1: Mạch chỉnh lƣu có sử dụng cuộn kháng điều hịa ....................................33
Hình 2.2: Bộ lọc thụ động nối tiếp ............................................................................34
Hình 2.3: Bộ lọc thụ động song song ........................................................................35
Hình 2.4: Bộ lọc tích cực bù ngang...........................................................................36
Hình 2.5: Bộ lọc tích cực bù dọc...............................................................................36
Hình 2.6: Bộ lọc hỗn hợp thơng dụng .......................................................................37
Hình 2.7: Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến .......................................39
Hình 2.8: Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hƣởng đơn ........................40
Hình 2.9: Đặc tính tổng trở của các loại bộ lọc thụ động phổ biến ..........................42
Hình 3.1: Cấu hình hệ thống có thiết bị lọc sóng hài thụ động .................................43
Hình 3.2: Lƣợc đồ thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động ................................................45
Hình 3.3: Bộ lọc cộng hƣởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số ..........................46
Hình 3.4: Đặc tính tổng trở của bộ lọc với các hệ số chất lƣợng khác nhau ............47
Hình 3.5: Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến ..............................48
7


Hình 3.6: Các tần số cộng hƣởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống .....49
Hình 3.7: Sơ đồ khối q trình tính tốn bộ lọc cộng hƣởng đơn.............................53
Hình 4.1: Giao diện chính của phần mềm PSCAD ...................................................54
Hình 4.2: Sơ đồ một sợi lộ đƣờng dây 35kV - 371-E3.1 ..........................................55
Hình 4.3: Cấu trúc là máng (trái) và lị nồi (phải).....................................................57

Hình 4.4: Sơ đồ khối của phần điện của lị cảm ứng dùng bộ biến tần ....................57
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý phần chỉnh lƣu của lò cảm ứng ......................................58
Hình 4.6: Sơ đồ lƣới điện cần tính tốn lắp đặt bộ lọc sóng hài ...............................59
Hình 4.7: Phổ tần dòng điện tại điểm đấu nối trƣớc khi lắp bộ lọc ..........................61
Hình 4.8: Đặc tính tổng trở của bộ lọc theo tần số ...................................................65
Hình 4.9: Phổ tần dịng điện trƣớc khi có bộ lọc ......................................................65
Hình 4.10: Phổ tần dịng điện sau khi có bộ lọc bậc 5 đƣợc lắp đặt .........................65
Hình 4.11: Đặc tính tổng trở của bộ lọc theo tần số .................................................68
Hình 4.12: Sơ đồ mơ phỏng với bộ lọc bậc 5, bậc 7 và bậc 11 ................................72
Hình 4.13: Đáp ứng tổng trở của hệ thống theo tần số .............................................75

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân loại các hiện tƣợng liên quan đến chất lƣợng điện áp theo tiêu chuẩn
IEEE 1159 - 1995 ......................................................................................................13
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn về độ méo điện áp theo Thông tƣ 12 và 32 ...........................18
Bảng 1.3: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống phân phối ..........................19
chung (có điện áp từ 120V tới 69000 V) ..................................................................19
Bảng 1.4: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện ...................19
(có điện áp từ 69001V tới 161000 V) .......................................................................19
Bảng 1.5: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện (<161kV),
nguồn phát phân tán và hệ thống đồng phát..............................................................20
Bảng 1.6: Phổ tần của sóng hài phát sinh bởi lị hồ quang .......................................26
Bảng 2.1: Phổ tần của dòng điện khi sử dụng chỉnh lƣu 6 và 12 xung .....................33

9

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Một trong những vấn đề về chất lƣợng điện năng phổ biến trong hệ thống
điện là sóng hài và sụt áp ngắn hạn. 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: máy biến
áp, máy điện quay; các thiết bị hồ quang và phóng điện (lị hồ quang điện, đèn
phóng điện); các thiết bị điện tử cơng suất (các bộ nghịch lƣu, biến tần).
Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây nhiều vấn đề đối với các thiết bị có
lõi từ nhƣ gây phát nóng quá mức, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá
tải dây trung tính, ảnh hƣởng tới các bộ điều khiển thiết bị. Giải pháp loại trừ sóng
hài trong hệ thống điện có thể chia ra ba nhánh chính: sử dụng bộ lọc thụ động, sử
dung bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép giữa hai dạng này. Bộ lọc tích cực và bộ lọc
lai ghép có khả năng loại trừ hầu hết các sóng hài phát sinh, tuy nhiên giá thành các
thiết bị này còn đắt và kèm theo chi phí bảo dƣỡng cao.
Luận văn đi sâu phân tích về việc sử dụng thiết bị lọc sóng hài thụ động
(gồm các thành phần R, L, C) để loại trừ các sóng hài cơ bản, bậc thấp trong hệ
thống điện. Trong luận văn này sẽ tìm hiểu qui trình tính tốn thiết kế bộ lọc thụ
động và nghiên cứu áp dụng để lựa chọn thông số bộ lọc tối ƣu cho các loại tải có
sử dụng chỉnh lƣu ba pha.
2. Lịch sử nghiên cứu
Các tải chỉnh lƣu ba pha ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến với mức cơng
suất lớn trong hệ thống điện. Việc tính tốn lựa chọn thiết bị lọc sóng hài để hạn chế
việc gây ảnh hƣởng tới hệ thống và các thiết bị khác là rất quan trọng. Tại Việt
Nam, các cơng trình cơng bố chƣa cho thấy có các nghiên cứu nào thể hiện qui trình
và các bƣớc tính tốn cần thiết các loại bộ lọc thụ động này và áp dụng đối với các
loại tải chỉnh lƣu ba pha.

10

3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Nội dung luận văn nghiên cứu về các hiện tƣợng chất lƣợng điện năng, tập
trung vào phần sóng hài trong hệ thống điện. Các sóng hài phát sinh bởi các tải có
sử dụng chỉnh lƣu ba pha sẽ đƣợc đề cập chi tiết. Các giải pháp để loại trừ các sóng
hài cũng đƣợc đề cập, tuy nhiên phần chính của luận văn sẽ tập trung vào bộ lọc
sóng hài thụ động sử dụng các phần tử R, L, C đơn giản. Phạm vi ứng dụng của các
bộ lọc này là cho các tải chỉnh lƣu ba pha.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản
Mục tiêu chính của luận văn bao gồm:
+ Tìm hiểu và phân loại các các hiện tƣợng về CLĐN, hiện tƣợng sóng hài
trong hệ thống điện bao gồm các nguồn phát sinh sóng hài và ảnh hƣởng của
sóng hài tới hệ thống cũng nhƣ các thiết bị khác.
+ Các tiêu chuẩn khuyến cáo về mức độ cho phép của tổng độ méo sóng hài
đối với lƣới điện ở các cấp điện áp khác nhau.
+ Đặc trƣng của sóng hài phát sinh bởi các tải có sử dụng chỉnh lƣu ba pha.
+ Các loại bộ lọc thụ động và phƣơng pháp tính tốn lựa chọn tham số cho các
loại bộ lọc này.
Nội dung của luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng nhƣ sau:
Chương 1: Giới thiệu chung về sóng hài và các tiêu chuẩn qui định về mức
độ sóng hài trong hệ thống điện.
Chương 2: Giới thiệu các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện.
Chƣơng này sẽ đi sâu phân tích ƣu nhƣợc điểm của các giải pháp sử dụng thiết bị
lọc thụ động và chủ động. Với các thiết bị lọc thụ động, luận văn sẽ giới thiệu cấu
trúc và các loại bộ lọc thụ động phổ biến, đặc tính làm việc của các bộ lọc này.
Đồng thời cũng đề xuất hƣớng nghiên cứu chuyên sâu của luận văn.

11


Chương 3: Giới thiệu về các bộ chỉnh lƣu ba pha đƣợc sử dụng phổ biến

trong nhiều thiết bị và dây chuyền cơng nghệ. Các đặc tính về sóng hài do loại tải
này phát ra. Qui trình tính tốn thiết kế một bộ lọc thụ động thông thƣờng. Chƣơng
này cũng đề xuất cách thức lựa chọn tối ƣu các tham số của bộ lọc cộng hƣởng đơn.
Chương 4: Áp dụng tính tốn với một trƣờng hợp cụ thể và đánh giá, kết
luận, đồng thời đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.
5. Các đóng góp mới của tác giả
Tác giả đã nghiên cứu và làm rõ các loại sóng hài gây ra bởi các tải có sử
dụng chỉnh lƣu ba pha, đồng thời đƣa ra các qui trình tính tốn đối với bộ lọc thụ
động đƣợc sử dụng để loại bỏ các thành phần sóng hài nhƣ mong muốn. Qui tình
tính tốn lựa chọn tham số các bộ lọc bao gồm cả phần kiểm tra theo các tiêu chuẩn
hiện hành và thuật toán tối ƣu tham số của bộ lọc.

12


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG
VÀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Phân loại chất lƣợng điện năng
Khái niệm chất lƣợng điện năng đƣợc áp dụng vào rất nhiều các hiện tƣợng
điện từ trong hệ thống điện. Việc ứng dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử
càng làm tăng sự quan tâm về chất lƣợng điện năng và đi kèm với đó là xác định
các thuật ngữ để phân loại các hiện tƣợng chất lƣợng điện năng. Theo tiêu chuẩn
IEEE 1159 – 1995, các hiện tƣợng điện từ trong hệ thống điện liên quan đến việc
đánh giá chất lƣợng điện năng đƣợc phân loại nhƣ sau [1, 2]:
Có thể phân loại các vấn đề của chất lƣợng điện năng một cách sơ bộ bao gồm:
 Mất cân bằng dòng điện & điện áp
 Sụt giảm điện áp, mất điện áp
 Chớp nháy điện áp
 Quá độ điện áp
 Sóng hài

Theo tiêu chuẩn IEEE 1159 - 1995, các hiện tƣợng chất lƣợng điện năng có thể
đƣợc phân loại nhƣ sau:
Bảng 1.1: Phân loại các hiện tƣợng liên quan đến chất lƣợng điện áp theo tiêu chuẩn
IEEE 1159 - 1995
Loại

Dải tần

Thời gian tồn tại

Biên độ

1. Quá độ
1.1.

Quá độ xung

1.1.1. Nanosecond

< 50 ns

1.1.2. Microsecond

50 ns – 1 ms

1.1.3. Milisecond

> 1 ms

1.2.

Quá độ dao động

1.2.1. Tần số thấp

0,3 – 50 ms

< 5 kHz

13

0 – 4 pu


1.2.2. Tần số trung bình

5 – 500 kHz

20 micro giây

0 – 8 pu

1.2.3. Tần số cao

0,5 – 6 MHz

5 micro giây

0 – 4 pu

2.1.1. Gián đoạn

0,5 – 30 chu kỳ

< 0,1 pu

2.1.2. Giảm

0,5 – 30 chu kỳ

0,1 – 0,9 pu

2.1.3. Tăng

0,5 – 30 chu kỳ

1,1 – 1,8 pu

2.2.1. Gián đoạn

30 chu kỳ - 3 s

< 0,1 pu

2.2.2. Giảm

30 chu kỳ - 3 s

0,1 – 0,9 pu

2.2.3. Tăng

30 chu kỳ - 3 s

1,1 – 1,4 pu

2.3.1. Gián đoạn

3 sec – 1 min

< 0,1 pu

2.3.2. Giảm

3 sec – 1 min

0,1 – 0,9 pu

2.3.3. Tăng

3 sec – 1 min

1,1 – 1,2 pu

2.

Biến đổi ngắn hạn

2.1.

Biến đổi tức thời

2.2.

2.3.

Biến đổi chốc lát

Biến đổi tạm thời

3.

Biến đổi dài hạn

3.1.

Gián đoạn duy trì

> 1 min

0 pu

3.2.

Kém điện áp

> 1 min

0,8 – 0,9 pu

3.3.

Quá điện áp

> 1 min

1,1 – 1,2 pu

Trạng thái ổn định

0,5 – 2%

Trạng thái ổn định

0 – 0,1%

Trạng thái ổn định

0 – 20%

5.3. Nội điều hòa
(Interharmonics)

Trạng thái ổn định

0 – 2%

5.4. Nhiễu do trùng dẫn
(Notching – hoặc tên gọi khác

Trạng thái ổn định

4.
Điện áp khơng cân
bằng
5.
áp

Biến dạng sóng điện

5.1.

Thành phần 1 chiều

5.2. Hài
(Harmonics)

bậc

cao

14


là “Đột điện áp”)
5.5. Do các thành phần khác
(Noise)
6. Dao động điện áp

< 25 Hz

7. Biến đổi tần số

Trạng thái ổn định

0 – 1%

Không liên tục

0,1 – 7%

< 10 sec

Một cách trực quan có thể tổng hợp phân loại các hiện tƣợng chất lƣợng điện
năng nhƣ sau:

15


1.2. Khái niệm về sóng hài
Sóng hài là các dạng nhiễu khơng mong muốn, xuất hiện dƣới dạng các dịng
điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thƣờng
đƣợc gọi là tần số sóng cơ bản). Các dịng điện, điện áp bị méo có thể đƣợc phân
tích thành tổng của sóng có tần số cơ bản và các thành phần sóng hài. Các thành
phần sóng hài này do các tải phi tuyến sinh ra.
Cơng cụ tốn học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dịng điện có chu
kỳ là phân tích Fourier. Phƣơng pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo,
có chu kỳ (khơng sin) thì có thể phân tích đƣợc thành tổng của các dạng sóng điều
hịa hình sin, chúng bao gồm:


Sóng hình sin với tần số cơ bản



Các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, là bội của tần số cơ bản.

Hình 1.1: Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng
Trong trƣờng hợp lý tƣởng, tất cả những sóng điện áp và dịng điện trong hệ
thống điện có dạng hình sin với tần số là tần số cơ bản. Tuy nhiên, điện áp và dòng
điện thực tế trong hệ thống điện khơng thuần túy hình sin. Khi đó, sóng điện áp và
dịng điện là tổng của sóng điều hịa cơ bản và các sóng điều hịa có bậc là bội số
của sóng cơ bản.
Dạng sóng méo ở hình dƣới đây đƣợc phân tích thành một thành phần sóng
cơ bản và thành phần sóng hài bậc 3, bậc 5 (hình 1.2).

16


Hình 1.2: Sóng bị méo dạng và phân tích Furier tƣơng ứng
1.3. Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện
Thƣờng sử dụng hai đại lƣợng đặc trƣng cho sóng hài là:
- Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distortion - THD).
- Tổng độ méo nhu cầu (Total Demand Distortion - TDD).
Cả hai chỉ số này đều có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng điện và điện áp.
a. Tổng độ méo sóng hài (áp dụng cho điện áp và dòng điện, ký hiệu THDv và
THDi): là tỷ lệ của điện áp (dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng
của điện áp (dịng điện) tần số cơ bản, tính theo phần trăm (%).

Trong đó:

 Vi, Ii: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dịng điện của các sóng hài bậc
I (i = 2, 3…).
 V1, I1: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại tần số cơ bản
(50Hz).
Nhận xét: Nếu chỉ đánh giá sóng hài dựa theo hệ số tổng độ méo sóng hài THD
thì có thể dẫn tới các kết luận không thỏa đáng. Lý do ở đây là trong trường hợp tải
nhẹ, dòng tải nhỏ thì dù giá trị THD tính được có thể rất lớn nhưng cũng không
đáng ngại do giá trị tuyệt đối của thành phần hài là nhỏ. Để có thể đánh giá chính
xác hơn có thể dựa vào chỉ số “Tổng độ méo nhu cầu” sẽ được trình bày tiếp sau.

17


b. Tổng độ méo nhu cầu (ký hiệu TDDv và TDDi): là tỷ lệ của điện áp (dòng
điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dịng điện) tần số cơ
bản,

Cách tính tốn hệ số TDD gần tƣơng tự nhƣ áp dụng đối với THD, tuy nhiên
mức độ méo sóng diễn tả theo tỷ lệ phần trăm của dòng điện (điện áp) định mức
hoặc dòng điện (điện áp) cho phép lớn nhất.
1.4. Các tiêu chuẩn khuyến cáo về mức độ sóng hài trong hệ thống điện
Thông tƣ 12 và 32 của Bộ Công thƣơng đƣa ra giới hạn cho phép đối với
tổng mức độ méo sóng điện áp và của từng mức sóng hài riêng lẻ: Tổng độ độ méo
điện áp tại mọi điểm đấu nối không đƣợc vƣợt quá giới hạn, qui định tại các Thông
tƣ số 12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng 4 năm 2010 và Thông tƣ số
32/2010/TT-BCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm 2010 nhƣ sau [3]:
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn về độ méo điện áp theo Thông tƣ 12 và 32
Cấp điện áp

Tổng biến dạng sóng hài

Biến dạng riêng lẻ

500kV, 220kV

3%

-

110kV

3%

1,5%

Trung và hạ áp

6,5%

3%

Bên cạnh đó tiêu chuẩn IEEE 519-1992 đƣa ra các khuyến cáo cụ thể hơn,
mức độ méo sóng hài cho phép cịn phụ thuộc vào cơng suất ngắn mạch của nguồn
cấp (cơng suất ngắn mạch tính tới thanh cái có tải phi tuyến nối vào). Chi tiết của
tiêu chuẩn IEEE 519-1992 nhƣ sau [4]:

18


Bảng 1.3: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống phân phối

chung (có điện áp từ 120V tới 69000 V)
Độ méo sóng hài lớn nhất của dịng điện trong tỷ lệ của IL
Sóng hài bậc lẻ
ISC/IL

<11

11 ≤ h ≤ 17

17 ≤ h ≤23

23≤ h ≤35

35≤h

TDD

<20

4.0

2.0

1.5

0.6

0.3

5.0

20<50

7.0

3.5

2.5

1.0

0.5

8.0

50<100

10.0

4.5

4.0

1.5

0.7

12.0

100<1000

12.0

5.5

5.0

2.0

1.0

15.0

>1000

15.0

7.0

6.0

2.5

1.4

20.0

Sóng hài bậc chẵn đƣợc giới hạn đến 25% của giới hạn trên của sóng hài bậc lẻ.
Tất cả thiết bị phát cơng suất đƣợc giới hạn đến những giá trị của độ méo dịng
điện, đƣợc tính ISC/IL.

Trong đó:
ISC : Dịng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trí điểm kết nối chung.
IL : nhu cầu tối đa của dòng điện tải (thành phần tần số cơ bản) tại vị
trí điểm kết nối chung.
Bảng 1.4: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện
(có điện áp từ 69001V tới 161000 V)
Độ méo sóng hài lớn nhất của dịng điện trong tỷ lệ của IL
Sóng hài bậc lẻ
ISC/IL

<11

11 ≤ h ≤ 17

17 ≤ h ≤23

23≤ h ≤35

35≤h

TDD

<20

2.0

1.0

0.75

0.3

0.3

2.5

20<50

3.5

1.75

1.25

0.5

0.5

4.0

50<100

5.0

2.25

2.0

0.75

0.7

6.0

100<1000

6.0

2.75

2.5

1.0

1.0

7.5

>1000

7.5

3.5

3.0

1.25

1.4

10.0

Sóng hài bậc chẵn đƣợc giới hạn đến 25% của giới hạn trên của sóng hài bậc lẻ.
Tất cả thiết bị phát công suất đƣợc giới hạn đến những giá trị của độ méo dòng
điện, đƣợc tính ISC/IL.
19


Trong đó:
ISC : Dịng điện ngắn mạch lớn nhất tại vị trí điểm kết nối chung.
IL : Nhu cầu tối đa của dòng điện tải (thành phần tần số cơ bản) tại vị
trí điểm kết nối chung.
Bảng 1.5: Giới hạn độ méo dòng điện đối với hệ thống truyền tải điện (<161kV),
nguồn phát phân tán và hệ thống đồng phát
Sóng hài bậc lẻ
ISC/IL

<11

11 ≤ h ≤ 17

17 ≤ h ≤23

23≤ h ≤35

35≤h

TDD

<50

2.0

1.0

0.75

0.3

0.15

2.5

≥50

3.0

1.5

1.15

0.35

0.22

3.75

1.5. Các nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện
Sóng hài đƣợc phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, một cách tổng quát nguồn
phát sinh sóng hài có thể do các yếu tố sau:

- Các tải phi tuyến (quan hệ giữa điện áp đặt vào và dòng điện chạy qua tải
khơng tuyến tính).
- Các thiết bị có lõi từ làm việc ở vùng bão hòa (máy biến áp, cuộn kháng,
động cơ…).
- Các thiết bị điện tử công suất có các mạch chỉnh lƣu đầu vào và các mạch
đóng cắt bằng các van thyristor.
- Các lò hồ quang hoặc hàn hồ quang.
Khi đặt một điện áp hình sin chuẩn vào tải phi tuyến thì dịng điện sinh ra sẽ
có dạng sóng bị méo:

Hình 1.3: Điện áp sin qua tải phi tuyến tạo ra dịng điện khơng sin
20


Thành phần dịng khơng cơ bản gây nên các thành phần sụt áp U không cơ
bản làm cho sụt áp tổng U bị méo. Do đó, mặc dù điện áp nguồn là sin nhƣng điện
áp tại điểm đấu nối chung của các thiết bị sẽ bị méo.
Unguồn(sin)-ΔU(không sin) = Uthanh cái (khơng sin)
Nếu nhƣ có các thiết bị khác đấu nối cùng thanh cái thì sẽ phải chịu điện áp
khơng sin đặt vào. Vì vậy cần loại bỏ thành phần hài do thiết bị phi tuyến sinh ra.
Đặc tính của một số nguồn phát sinh sóng hài thƣờng gặp trong hệ thống điện:
1.5.1. Các máy biến áp
Hiện tƣợng bão hòa mạch từ là một nguyên nhân gây ra sóng hài. Khi biên độ
điện áp từ thông đủ lớn (hiện tƣợng q 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.
B(V)
Đƣờng cong từ hóa

Cảm ứng từ B

H(I)
Thành phần hài bậc ba

Thành phần cơ bản

Vùng bão hịa

Tăng điện áp

Điểm bình thƣờng

Hình 1.4: Cơ chế phát sinh sóng hài sinh ra do hiện tƣợng bão hòa mạch từ
máy biến áp

21


Các máy biến áp đƣợc thiết kế hoạt động tại vùng tuyến tính của đƣờng cong
từ hóa với 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  trở thành nguồn phát sóng hài.
Điện áp tăng có thể do vận hành non tải với mạng cáp, hoặc do đóng cắt các
nguồn CSPK lớn nhƣ các bộ tụ hoặc kháng…
Trong phạm vi làm việc bình thƣờng, sóng hài sinh ra sự méo dạng sóng của
dịng từ hóa là khơng đáng kể. Tuy nhiên khi đóng máy biến áp hoặc vận hành ở
quá điện áp thì mức độ sóng hài có thể tăng lên đáng kể.
Mặc dù dịng kích thích của máy biến áp lực chứa nhiều thành phần sóng hài,
trong thực tế nó vẫn nhỏ hõn 1-2% giá trị của dòng điện khi đầy tải. Tuy nhiên, ảnh
hƣởng của chúng có thể thấy rõ khi trong hệ thống truyền tải có nhiều máy biến áp.

Ta có thể thấy độ lớn của sóng hài bậc ba thƣờng tăng lên đáng kể khi mà các máy
biến áp làm việc non tải và điện áp tăng. Khi đó, dịng điện kích thích tăng lên, do
đó trị số sóng hài cũng tăng lên.
Hình dƣới mơ tả dạng sóng dòng điện pha A của máy biến áp khi lõi từ bị
q kích thích.

Hình 1.5: Dạng sóng và phổ tần dòng điện khi máy biến áp hoạt động trong điều
kiện quá áp 10%
1.5.2. Các động cơ
Tƣơng tự nhƣ máy biến áp, động cơ cũng có lõi từ và khi hoạt động cũng có
thể sinh ra các thành phần sóng hài, tuy nhiên chủ yếu là hài bậc 3. Các hình dƣới
cho thấy dạng sóng bị méo của một số thiết bị dân dụng có sử dụng động cơ (máy

22


lạnh, điều hịa...). Các động cơ có khe hở trong mạch từ do vậy đặc tính từ tuyến
tính hơn so với máy biến áp.

A

Hình 1.6: Dịng điện của máy lạnh với THD=6,3%

A

Hình 1.6: Dịng điện của điều hịa với THD=10,5%
1.5.3. Các thiết bị điện tử công suất
Các thiết bị điện tử công suất hiện nay đều sử dụng bộ chỉnh lƣu đầu vào,
thiết bị chỉnh lƣu này chính là nguồn gây phát sóng hài. Mặt khác các van cơng suất
khi đóng/cắt cũng có thể gây ra nhiễu, hài với tần số cao. Thiết bị điện tử công suất

sử dụng phổ biến trong các thiết bị công nghiệp, gia dụng nhƣ: máy tính, bộ biến
tần điều tốc động cơ, đèn huỳnh quang, bộ lƣu điện UPS... Các thiết bị này tạo ra
dịng điện méo dạng rất lớn tùy thuộc vào cơng suất định mức. Hình dƣới đây mơ tả
sóng điện áp và dòng điện của một số chỉnh lƣu cơ bản. Bảng kế tiếp mô tả phổ tần
và tổng độ méo sóng hài của một số tải phi tuyến khác.

23


(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 1.7: Dạng sóng điện áp và dịng pha A của bộ chỉnh lƣu

Hình 1.8: Dạng sóng dịng điện, phổ tần và tổng độ méo sóng hài của một số tải phi
tuyến khác
24


Các thiết bị điện tử cơng suất có thể đƣợc coi nhƣ một trong những nguồn
chính gây ra sóng hài trong lƣới điện.
1.5.4. Các thiết bị hồ quang
Bao gồm các thiết bị nhƣ lò hồ quang, các đèn cao áp thủy ngân, máy hàn hồ
quang, ... Đặc tính Volt – Ampe của hồ quang có tính chất phi tuyến mạnh, khi hồ
quang đƣợc sinh ra, điện áp giảm đi do dòng hồ quang lớn.

Nguồn điện năng
Điện cực Cacbon
Ống xả

Cửa
Kim loại
Thành lị

Hình 1.9: Phổ tần dịng điện của lị hồ quang
Có thể thấy rằng với các lị hồ quang thì mức độ sóng hài sinh ra biến thiên
theo thời gian rất khó xác định chính xác do vậy thƣờng xác định theo phƣơng pháp
thống kê xác suất. Mức độ sóng hài biểu diễn theo phần trăm của dòng điện cơ bản
đƣợc cho sơ bộ theo bảng 1.6:

25