Ứng dụng bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép để bù công suất phản kháng và lọc sóng hài

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

CÙ ĐỨC KHANG

ỨNG DỤNG BỘ LỌC SÓNG HÀI KIỂU LAI GHÉP ĐỂ
BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ LỌC SĨNG HÀI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện – Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN XUÂN TÙNG

HÀ NỘI – 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên

Cù Đức Khang

i

LỜI CÁM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS.Nguyễn Xuân Tùng,
người đã luôn động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tơi trong suốt q trình
nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn ban Giám hiệu, Viện đào tạo Sau đại học và quý
thầy, cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp
đỡ và trang bị cho tôi những kiến thức q báu để giúp tơi nghiên cứu và hồn
thành cơng trình này.
Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên chia
sẻ, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến q báu để tơi hồn thành luận văn
này.
Các nội dung được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không
tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận được lời đóng góp từ quý thầy, cô và các bạn bè
đồng nghiệp.
Cù Đức Khang

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................ i
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................... 1
1.

Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1

2.

Mục đích và nhiệm vụ của đề tài ................................................................................ 1

3.

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

4.

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 2

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................... 2

6.

Cấu trúc luận văn ........................................................................................................ 2

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ ẢNH HƢỞNG ........................................ 3
1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................................... 3
1.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trong lưới điện ............................................................ 6
1.2.1 Máy biến áp. ......................................................................................................... 7
1.2.2 Động cơ ................................................................................................................. 7
1.2.3 Thiết bị điện tử công suất...................................................................................... 7
1.2.4 Các đèn huỳnh quang:......................................................................................... 12

1.2.5 Các thiết bị hồ quang: ......................................................................................... 12
1.3. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao .............................................................................. 12
CHƢƠNG II. CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI S

DỤNG B LỌC ................ 15

2.1 Giới thiệu tổng quát về bộ lọc sóng hài ..................................................................... 15
2.1.1 Khái niệm lọc sóng hài ....................................................................................... 15
2.1.2 Các bộ lọc sóng hài ............................................................................................. 15
2.2 Bộ lọc thụ động .......................................................................................................... 15
2.2.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 15
2.2.2 Các loại bộ lọc thụ động phổ biến ...................................................................... 17
2.2.3 Thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động ....................................................................... 21
2.2.3 Hướng lựa chọn loại bộ lọc thụ động của luận văn ............................................ 30

iii


2.3 Bộ lọc chủ động ......................................................................................................... 30
2.3.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 30
2.3.2 AF song song ...................................................................................................... 31
2.3.3 AF nối tiếp (AFs) ................................................................................................ 32
2.3.4 Thiết kế bộ lọc sóng hài kiểu tích cực ................................................................ 33
2.4 Bộ lọc kiểu lai (Hybrid Filter) ................................................................................... 47
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG SĨNG HÀI LÕ NẤU THÉP CẢM ỨNG
TRUNG TẦN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK ............................................... 48
3.1. Mơ hình hệ thống tải phi tuyến ................................................................................. 48
3.2. Mơ hình tải lị cảm ứng trung tần.............................................................................. 48
3.2.1 Giới thiệu về lò cảm ứng trung tần ..................................................................... 48
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của lò cảm ứng trung tần .................................................. 49

3.2.3 Các bộ phận chính của lị cảm ứng trung tần ...................................................... 50
3.3 Thiết kế, tính tốn thơng số mơ hình lị nấu thép cảm ứng trung tần ........................ 53
3.3.1. Mơ hình lị nấu thép cảm ứng trung tần ............................................................. 53
3.3.2. Tính tốn các thơng số của lị ............................................................................ 58
3.4. Kết quả mơ phỏng ..................................................................................................... 60
CHƢƠNG IV MƠ PHỎNG, KIỂM CHỨNG LỌC LAI GHÉP ......................................... 62
4.1 Mơ hình hệ thống lọc lai ghép. .................................................................................. 62
4.1.1 Tổng quan ........................................................................................................... 62
4.1.2 Bộ lọc thụ động ................................................................................................... 62
4.1.3 Bộ lọc tích cực .................................................................................................... 63
4.2 Thiết lập thông số các bộ lọc ..................................................................................... 66
4.2.1 Bộ lọc thụ động ................................................................................................... 66
4.2.2 Tính tốn các thông số của bộ lọc....................................................................... 68
4.3 Các kết quả mô phỏng ............................................................................................... 70
4.3.1 Khi lắp bộ lọc thụ động lọc sóng hài bậc 5 ......................................................... 70
4.3.2 Khi lắp bộ lọc tích cực ........................................................................................ 71
4.3.3 Khi lắp bộ lọc lai ghép ........................................................................................ 72
4.4 Phân tích, đánh giá kết quả mơ phỏng ....................................................................... 79
KẾT LUẬN.................................................................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................... 82

iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
APF

Active Power Filter

CSI

Current Source Inverter

PCC

Point of Common Couping

PI

Proportional Integral

PID

Proportional Integral Derivative

SVC

Static Var Compensator

TCSC

Thyristor Controlled Series Capacitor

THD

Total Harmonic Distortion

UPQC

Unified Power Quality Controller

VSC

Voltage Sourced Converter

VSI

Voltage Source Inverter

PWM

Pulse Width Modulation

FET

Field-Effect Transistor

MOSFET

Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

GTO

Gate turn-off thyristor

CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng

HTĐ

Hệ thống điện

MBA

Máy biến áp

CL

Chỉnh lưu

NLCH

Nghịch lưu cộng hưởng

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Giới hạn méo điện áp ................................................................................13
Bảng 1.2. Giới hạn méo dòng điện (120V tới 69kV) ................................................14
Bảng 1.3. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 .........................................................................14

Bảng 3.1. Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước khi lọc .......61
Bảng 4.1. Tỷ lệ các thành phần dòng hài trong dòng điện nguồn trước và sau khi lọc ...74

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng. ....................................................3
Hình 1.2 Sóng cơ bản và các sóng hài bậc 1, 2, 3 .......................................................3
Hình 1.3 Các sóng hài bậc 1, 7, 10..............................................................................4
Hình 1.4 Các sóng hài bậc 2, 8, 11..............................................................................4
Hình 1.5 Các sóng hài bậc 3, 9 và 12 ..........................................................................4
Hình 1.6. Phân tích phổ của sóng hài dịng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha ..................5
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 1 pha ...........................................................7
Hình 1.8 Dịng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha khơng điều khiển ..........8
Hình 1.9. Phổ dịng điện chỉnh lưu cầu một pha .........................................................8
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển .........................8
Hình 1.11. Dịng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển .........8
Hình 1.12. Phổ dịng điện chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển ............................9
Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển................................9
Hình 1.14. Dịng điện phía lưới và phân tích phổ khi α=300 ....................................10
Hình 1.15. Dịng điện phía lưới và phân tích phổ khi α = 500 ..................................10
Hình 1.16. Dịng điện phía lưới và phân tích phổ khi α= 700 ...................................11
Hình 1.17. Dịng điện phía lưới và phân tích phổ khi α= 900 ...................................11
Hình 2.1: Bộ lọc thụ động nối tiếp ............................................................................16
Hình 2.2: Bộ lọc thụ động song song ........................................................................16
Hình 2.3: Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến. ......................................17
Hình 2.4: Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hưởng đơn ........................18
Hình 2.4: Đặc tính tổng trở của các loại bộ lọc thụ động phổ biến ..........................21
Hình 2.5: Cấu hình hệ thống có thiết bị lọc sóng hài thụ động .................................22

Hình 2.6: Lược đồ thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động ................................................23
Hình 2.7: Bộ lọc cộng hưởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số ..........................24
Hình 2.8: Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến ..............................25
Hình 2.9: Các tần số cộng hưởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống .....26
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý AF kiểu kết nối song song ............................................31
vii


Hình 2.11 Mơ tả ngun lý hoạt động của AF song song .........................................31
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp .......................................32
Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động của AFs ..................................................................33
Hình 2.14 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực .................................................33
Hình 2.15. Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM .............................................................34
Hình 2.16. Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM .................................................34
Hình 2.17. Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ...............................................................35
Hình 2.18. Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ..............................................................35
Hình 2.19. Cấu trúc điều khiển vịng hở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc
tích cực ......................................................................................................................36
Hình 2.20. Cấu trúc điều khiển vịng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc
tích cực ......................................................................................................................37
Hình 2.21. Phương pháp FFT....................................................................................38
Hình 2.22. Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời .................................42
Hình 2.23. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực .......................43
Hình 2.24. Sơ đồ mơ tả phương pháp điều khiển kiểu bang-bang ............................44
Hình 2.25. Điều khiển phát xung cho pha A bộ lọc tích cực ....................................45
Hình 2.26. Sơ đồ mơ tả điều khiển dịng điện pha A ................................................46
Hình 2.27 Bộ lọc kiểu lai ..........................................................................................47
Hình 3.1. Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến ................................48
Hình 3.2. Sơ đồ ngun lý lị nấu thép cảm ứng trung tần .......................................49
Hình 3.3. Máy cắt ......................................................................................................50

Hình 3.4. Cuộn kháng xoay chiều .............................................................................50
Hình 3.5. Thyristor chỉnh lưu ....................................................................................51
Hình 3.6. Cuộn kháng lọc một chiều LD ..................................................................51
Hình 3.7. Thyristor nghịch lưu ..................................................................................52
Hình 3.8. Vịng cảm ứng của lị trung tần .................................................................52
Hình 3.9. Tụ điện ......................................................................................................53
Hình 3.10. Mơ hình hệ thống cấp điện cho phụ tải nhà máy luyện thép ..................53
viii


Hình 3.11. Khối nguồn xoay chiều ba pha ................................................................54
Hình 3.12. Khối máy cắt và trở kháng đường dây ....................................................54
Hình 3.13. Khối đo lường dịng và áp .......................................................................54
Hình 3.14. Mơ hình khối hiển thị kết quả đo lường ..................................................55
Hình 3.15. Mơ hình lị nấu thép cảm ứng trung tần ..................................................55
Hình 3.16. Cuộn kháng xoay chiều lõi khơng khí ....................................................56
Hình 3.17. Cuộn kháng lọc một chiều ......................................................................56
Hình 3.18. Cầu chỉnh lưu ba pha điều khiển tồn phần ............................................56
Hình 3.19. Cầu nghịch lưu cộng hưởng nguồn dịng song song một pha .................57
Hình 3.20. Mạch điều khiển cầu NLCH nguồn dòng và mạch khởi động lị ...........57
Hình 3.21. Tải lị nấu thép cảm ứng trung tần ..........................................................58
Hình 3.22. Dạng sóng dịng điện pha A của nguồn (mơ hình) .................................60
Hình 3.23. Phổ dịng điện pha A của nguồn (mơ hình) ............................................60
Hình 4.1 Mơ hình hệ thống lọc lai ghép ...................................................................62
Hình 4.2 Sơ đồ bộ lọc thụ động ...............................................................................63
Hình 4.3. Mơ hình khối tính tốn dịng bù chuẩn .....................................................63
Hình 4.4. Khối chuyển điện áp trong hệ abc   ................................................64
Hình 4.5. Khối chuyển dịng trong hệ abc   ....................................................64
Hình 4.6. Khối tính tốn cơng suất ổn định điện áp trên tụ ......................................64
Hình 4.7. Khối tính tốn cơng suất bù cung cáp bởi mạch lọc .................................65

Hình 4.8. Khối tính tốn dịng bù trong hệ αβ ..........................................................65
Hình 4.9. Khối tính tốn dịng bù trong hệ abc .........................................................65
Hình 4.10. Khối phát xung cho bộ nghịch lưu ..........................................................66
Hình 4.11 Mơ hình hệ thống lị nấu thép cảm ứng khi lắp thêm bộ lọc thụ động ....70
Hình 4.12 Kết quả sóng hài sau khi lọc thụ động .....................................................70
Hình 4.13. Mơ hình hệ thống lị nấu thép cảm ứng khi lắp thêm bộ lọc tích cực .....71
Hình 4.14 Kết quả sóng hài sau khi lọc tích cực.......................................................71
Hình 4.15. Mơ hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng khi lắp thêm bộ lọc lai ghép .....72
Hình 4.16. Dạng sóng dịng điện và phổ dòng điện pha A của nguồn sau khi lọc ...73
ix


Hình 4.17. Dạng sóng dịng điện pha A của nguồn và tải sau khi lọc ......................73
Hình 4.18. Mơ hình hệ thống lò nấu thép cảm ứng sau khi lắp thêm cuộn kháng Lp ......75
Hình 4.19. Dạng sóng dịng điện và phổ dòng điện pha A của nguồn sau khi lọc và
lắp thêm cuộn kháng Lp.............................................................................................76
Hình 4.20. Dạng sóng dịng điện pha A của nguồn và tải sau khi lọc và lắp thêm Lp .....76
Hình 4.21. Phổ điện áp pha A của nguồn..................................................................77
Hình 4.22. Dạng sóng dịng điện bù của bộ lọc cho pha A .......................................77
Hình 4.23. Dạng sóng điện áp DC ............................................................................78
Hình 4.24. Dạng sóng dịng điện ba pha của nguồn trước khi lọc ............................78
Hình 4.25 Dạng sóng dịng điện ba pha của nguồn sau khi lọc ................................79

x


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, trong các cơ sở sản xuất công nghiệp sử dụng rất nhiều phụ tải có
tính phi tuyến như: lị hồ quang, máy hàn hồ quang, lò cảm ứng trung tần, lò cảm

ứng cao tần, đèn huỳnh quang, các bộ biến đổi điện áp xoay chiều, các bộ chỉnh lưu,
các bộ biến tần, các thiết bị điện tử công suất…
Đây là những nguồn phát sinh ra sóng hài bậc cao. Sóng hài trong hệ thống
điện có thể gây nhiều vấn đề như như gây phát nóng quá mức với những thiết bị có
lõi từ, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá tải dây trung tính, ảnh
hưởng tới các bộ điều khiển thiết bị, làm nhiễu tín hiệu và méo tín hiệu dịng điện
và điện áp gây ra tác động sai lệch của thiết bị bảo vệ, ảnh hưởng đến sai số của
thiết bị đo làm cho kết quả đo khơng được chính xác.
Giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện có thể chia ra ba nhánh chính:
Sử dụng bộ lọc thụ động, sử dụng bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép giữa hai dạng
này. Tuy giá thành đắt và chi phí bảo dưỡng cao nhưng bộ lọc tích cực và bộ lọc lai
ghép có khả năng loại trừ hầu hết các sóng hài phát sinh và rất hiệu quả trong việc
bù công suất phản kháng và tiết kiệm điện năng.
Với mong muốn ứng dụng bộ lọc lai ghép để lọc sóng hài và bù cơng suất
phản kháng, nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng của sóng hài và tiết kiệm điện năng đặc
biệt ứng dụng đối với các tải phi tuyến lớn trong sản xuất công nghiệp. Tôi đã quyết
định chọn đề tài “Ứng dụng bộ lọc lai ghép để bù công suất phản kháng và lọc
sóng hài ”.
2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
-

Tìm hiểu các nguồn phát sinh sóng hài và ảnh hưởng của sóng hài.

-

Phân tích cấu hình, chức năng của các bộ lọc sóng hài kiểu thụ động, chủ
động và bộ lọc lai ghép.

-

Tính tốn lựa chọn thơng số của các phần tử trong bộ lọc sóng hài lai
ghép.

-

Mơ phỏng kiểm chứng hiệu quả của bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép.
1


3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp bù thụ động kết
hợp bù tích cực để lọc sóng hài và bù cơng suất phản kháng cho lò nấu thép của nhà
máy.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp lọc thụ động cộng hưởng kết hợp lọc
tích cực theo thuyết cơng suất tức thời p-q của akagi.

-

Thiết kế mơ hình mơ phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm ra phương pháp tối ưu điều khiển bộ lọc
lai ghép để lọc sóng hài, bù cơng suất phản kháng, tiết kiệm và nâng cao chất lượng
điện năng cho lưới điện. Đề tài hồn tồn có thể ứng dụng vào thực tế.
6. Cấu trúc luận văn
Mở đầu

Chƣơng 1: Tổng quan về sóng hài và ảnh hưởng.
Chƣơng 2:

Các phương pháp lọc sóng hài sử dụng bộ lọc.

Chƣơng 3: Thiết kế và mô phỏng sóng hài lị nấu thép cảm ứng trung tần
bằng phần mềm Matlab/Simulink.
Chƣơng 4: Mô phỏng, kiểm chứng lọc lai ghép
Kết luận

2


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI
VÀ ẢNH HƯỞNG
1.1 Giới thiệu chung
Các tải phi tuyến trong lưới điện là nguyên nhân gây ra méo sóng điện áp và
dịng điện. Theo phân tích Fourier, một sóng dịng điện hay điện áp hình sin khi bị
méo dạng tương đương với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, cịn lại là
các thành phần sóng hài bậc cao. Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ thuộc vào
độ méo dạng so với ban đầu.

nh

nh

ng s ng sin hu n v sin

ng

nv

m o

ng

s ng h i ậ 1, 2, 3

Trong hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện hay điện áp các pha bị méo dạng
và các sóng hài bậc lẻ có thể phân biệt thành các thành thành phần thứ tự thuận,
nghịch, không:
Thành phần thứ tự thuận gồm: các sóng hài bậc h1, h7, h10…

3


nh

s ng h i ậ

Thành phần thứ tự nghịch gồm: các sóng hài bậc 2, 8, 11

nh

s ng h i ậc 2, 8, 11

Thành phần thứ tự không gồm: các sóng hài bậc 3, 9, 12

nh

s ng h i ậ

và 12

Một sóng hài với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) hay ω=2πf
(rad/s) có thể phân tích chuỗi Furier được như sau:
f (wt) =

+∑

)

(1.1)

Trong đó:
: giá trị trung bình
4


Fn: biên độ của sóng hài bậc n trong chuỗi Fourier
: thành phần sóng cơ bản
: thành phần sóng hài bậc n
ψn : góc pha của sóng hài bậc n
Từ (1.1) có thể viết thành:
= Fn (sinnωt.cosψn +sinψn .cosnωt)
Nếu quy ước:
Fn sinψn = bn
Fn cosψn = an
Từ đó ta có thể viết được như sau:
f ( t) =

+∑

) +∑

)

(1.2)

)

(1.3)

Hay có thể viết (1.2) dưới dạng sau:
f ( t) =

∑

(

Ví dụ: Dịng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha có thể được phân tích thành
phổ các thành phần sóng hài bằng FFT trong Matlab như hình 1.6

Hình 1.6 Phân tí h phổ ủa s ng h i òng điện sau hỉnh lưu ầu
5

pha


Thông tư 32 /2010/TT-BCT của Bộ Công thương đã áp dụng tiêu chuẩn sóng

hài 519 của IEEE cho tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện năng của Việt nam. Đó là
hệ số méo dạng THD:


X

TDH 

2
n

n

(1.4)

X1

Trong đó:
X1 là biên độ thành phần cơ bản
Xn là biên độ thành phần điều hòa bậc n
Từ (1.4) được triển khai áp dụng để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp:
Hệ số méo dạng dịng điện:


TDH 

I

2
n

(1.5)

n

I1

Trong đó:
I1 là biên độ thành phần dòng cơ bản
In là biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n
Hệ số méo dạng điện áp:


TDH 

U

2
n

n

U12

(1.6)

Trong đó:
U1 là biên độ thành phần điện áp cơ bản
Un là biên độ thành phần áp hài bậc n
1.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trong lƣới điện

Các sóng hài trong công nghiệp chủ yếu được tạo ra bởi tất cả các tải phi
tuyến. Các phần tử phi tuyến điển hình là cuộn dây của máy biến áp, động cơ làm
việc ở chế độ bão hòa mạch từ, các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode
của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử,
máy hàn, các hệ truyền động điện…
6


1.2.1 Máy biến áp.
Hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp lực có thể sinh ra sóng hài bậc
cao. Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng khơng tuyến tính trong
đường cong B-H sẽ dẫn đến dịng điện từ hóa bị méo và có chứa các sóng hài bậc
cao.
1.2.2 Động cơ
Các sóng hài bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới
các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato. Các máy điện
đồng bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi biến dạng từ trường, sự bão hịa
trong các mạch chính và do các cuộn cản dùng giảm dao động đặt không đối xứng.
1.2.3 Thiết bị điện tử công suất.
Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp
xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor,
MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến gây sóng hài bậc cao.
Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài sinh ra khác nhau. Các
mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn
giản, rẻ, chắc chắn nhưng sản sinh nhiều sóng hài. Để giảm bớt sóng hài có thể
dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lai với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung
hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung.
Ví dụ sóng hài gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:
- Chỉnh lưu cầu một pha: Giả sử xét với tải có tính cảm

Hình 1.7

đồ ngun lý hỉnh lưu ầu
7

pha


Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu:

Hình 1.8 ịng điện lưới gây ởi ộ hỉnh lưu ầu một pha khơng điều khiển

Hình 1.9 Phổ ịng điện hỉnh lưu ầu một pha
Chỉnh lưu cầu ba pha: các van bán dẫn có thể là GTO, diode, thyristor…
Trường hợp chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển:

Hình 1.10

đồ ngun lý hỉnh lưu ầu a pha khơng điều khiển

Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lưu:

Hình 1.11

ịng điện lưới gây ởi ộ hỉnh lưu ầu a pha không điều khiển
8


Hình 1.12 Phổ ịng điện hỉnh lưu ầu a pha khơng điều khiển
Ta thấy dịng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn

THD=28,52%. Các thành phần sóng hài này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh
lưu cầu gây ra. Trong đó các thành phần sóng hài bậc 5, 7, 11 là chủ yếu.
Đối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển như hình 1.11. Các kết quả mơ
phỏng cho ảnh hưởng đến dịng phía nguồn (đầu vào chỉnh lưu) như sau:

Hình 1.13

đồ nguyên lý hỉnh lưu ầu a pha

điều khiển

Ứng với góc điều khiển là α=300 dịng điện phía lưới được mơ phỏng
kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.14

9


Hình 1.14

ịng điện phía lưới v phân tí h phổ khi α=300

Ứng ứng góc điều khiển là α=500 dịng điện phía lưới được mơ phỏng
kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.15

Hình 1.15

ịng điện phía lưới v phân tí h phổ khi α = 500

Ứng ứng góc điều khiển là α=700 dịng điện phía lưới được mơ phỏng
kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.14

10


Hình 1.16

ịng điện phía lưới v phân tí h phổ khi α= 700

Ứng ứng góc điều khiển là α=900 dịng điện phía lưới được mơ phỏng
kèm theo phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.17

Hình 1.17

ịng điện phía lưới v phân tí h phổ khi α= 900

Từ phân tích ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha ta thấy khi thay đổi, góc
góc điều khiển tăng thì các thành phần sóng hài bậc cao sinh ra càng lớn làm
độ méo dòng điện càng tăng.
11


1.2.4 Các đèn huỳnh quang:
Ngày nay các đèn huỳnh quang được sử dụng rộng rãi do có ưu điểm là tiết
kiệm chi phí. Tuy nhiên sóng hài bậc cao sinh ra bởi đèn huỳnh quang cũng rất lớn.
1.2.5 Các thiết bị hồ quang:
Các thiết bị thường gặp trong hệ thống điện là các lị hồ quang cơng nghiệp.
Theo thống kê thì điện áp lị hồ quang cho thấy sóng hài bậc cao đầu ra biến thiên
rất lớn ví dụ như sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn
nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời gian tinh luyện.
1.3. Ảnh hƣởng của sóng hài bậc cao

Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây
truyền tải điện. Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện
năng. Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách
điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường
hợp thậm chí cịn gây hỏng thiết bị.
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài bậc cao đó là việc làm tăng giá trị
hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dịng điện và điện áp. Có thể thấy rõ qua công
thức sau:
URMS = √ ∫
IRMS = √ ∫

dt = √∑
dt = √∑

=√
=√

(1.7)

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dịng điện hay điện áp tăng
do sóng hài bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề:
-

Tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện; ảnh hưởng đến độ bền cách
điện của vật liệu

-

Giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện.

-

Các sóng hài bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất
sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp và tăng tổn thất điện năng.

12


-

Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo momen, giảm hiệu
suất máy, gây tiếng ồn, các sóng hài bậc cao cịn có thể sinh ra momen xoắn
trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận
cơ khí trong động cơ.

-

Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai): các sóng
hài bậc cao có thể làm momen tác động của rơle bị thay đổi dẫn đến thời
điểm tác động của rơle sai lệch.

-

Với các thiết bị đo: ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả
đo bị sai lệch.

-

Với tụ điện: làm cho tụ bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới
phá hủy chất điện mơi.

-

Các sóng hài bậc cao cịn làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị
chập chờn.

-

Gây ảnh hưởng tới các thiết bị viễn thơng: các sóng hài bậc cao có thể gây
sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát
sóng.
Với những tác hại như vậy việc quy định một tiêu chuẩn thống nhất về các

thành phần sóng hài bậc cao trên lưới cần được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của
chúng tới các thiết bị tiêu dùng điện khác và đảm bảo chất lượng điện năng. Vì vậy,
Việt Nam đã áp dụng tiêu chuẩn 519 của IEEE và 1000-4-3 của IEC về giới hạn
thành phần sóng hài bậc cao trên lưới. Cụ thể như sau:
Bảng 1.1. Giới hạn méo điện áp

Cấp điện áp
69 kV và thấp hơn

Độ méo điện áp với sóng
hài riêng lẻ (%) =

Tổng độ méo điện áp
THD (%)

3,0

5,0

Trên 69 kV tới 161 kV

1,5

2,5

Trên 161 KV

1,0

1,5
13


Bảng 1.2. Giới hạn méo dòng điện (120V tới 69kV)
Độ méo dòng điện tối đa (% của Itải)
Tỷ số ngắn mạch

h<11

11<=h<17

<20

4,0

2,0

1,5

20 tới 50

7,0

3,5

50 tới 100

10,0

100 tới 1000
Trên 1000

(SCR=ISC/Itải )

17<=h<23

23<=h<35

35<=h

THD

0,6

0,3

5,0

2,5

1,0

0,5

8,0

4,5

4,0

1,5

0,7

12,0

12,0

5,5

5,0

2,0

1,0

15,0

15,0

7,0

6,0

2,5

1,4

20,0

Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% độ méo của giới hạn bậc lẻ ở trên
h: bậc của sóng hài

Bậc sóng hài
(n)

Bảng 1.3. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-4
(cho thiết bị với dòng định mức trên 75A)
Dịng hài có thể chấp Bậc sóng hài Dịng hài có thể chấp
nhận được (%)
nhận được (%)
(n)

3

19

19

1,1

5

9,5

21

<=0,6

7

6,5

23

0,9

9

3,8

25

0,8

11

3,1

27

<=0,6

13

2,0

29

0,7

15

0,7

31

0,7

14