Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện thành phố lạng sơn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN
THÀNH PHỐ LẠNG SƠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN – 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN
THÀNH PHỐ LẠNG SƠN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8 52 02 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đặng Danh Hoằng

THÁI NGUYÊN – 2020


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Trung Kiên
Đề tài luận văn: Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất
lượng điện năng cho lưới điện Thành phố Lạng Sơn.
Chuyên ngành:Kỹ thuật điện.
Mã số: : 8.52.02.01
Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với
các nội dung sau:
-

Sửa các sai sót về chế bản ,lỗi chính tả, chú thích khơng đi kèm với hình,
các trang nội dung dịch ra ngồi khung trang đã chỉnh.

-

Sửa đề mục có sự trùng lặp (2.2 và 2.3), đưa ra cấu trúc điều khiển( bù công
suất phản kháng với bộ điều khiển PI) chi tiết hơn hình 2.18
Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020
Cán bộ hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Đặng Danh Hoằng

Nguyễn Trung Kiên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Như Hiển

i


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Trung Kiên
Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1980
Học viên lớp cao học khoá 21 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật Công
Nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Cơng ty điện lực Lạng Sơn.
Tơi cam đoan tồn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của
giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tơi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Kiên

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau
đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo,
các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng

cho tác giả để tác giả có thể hồn thành bản luận văn của mình.
Trong q trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cơ giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học
Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy
TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tơi xin
chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề
tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các
thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện hơn nữa
trong q trình công tác sau này.
Học viên

Nguyễn Trung Kiên

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. III
MỤC LỤC ................................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. IX
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 1
3. Nội dung của luận văn ............................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN
TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN ..................................................... 3

1.1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hịa bậc cao (sóng hài) trong lưới
điện .................................................................................................................................. 3
1.1.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hịa bậc cao ............................................... 3
1.1.2. Tổng quan về sóng điều hịa bậc cao ................................................................ 3
1.1.3. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên lưới
điện .............................................................................................................................. 7
1.1.4. Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài ........................................................... 9
1.2. Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn ......................................................... 16
1.2.1. Lưới điện trung thế .......................................................................................... 17
1.2.2. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Lạng Sơn trong một vài năm gần
đây ............................................................................................................................. 20
1.2.3. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính tốn ..................................................... 21
1.2.4. Một số phụ tải phát sinh sóng hài lớn tại thành phố Lạng Sơn ....................... 22
1.2.5. Giải pháp lọc sóng hài .................................................................................... 24
1.3. Kết luận chương 1 ................................................................................................ 24
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC TÍCH
CỰC ĐỂ LỌC SĨNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ...................... 25
2.1. Tổng quan bộ lọc tích cực .................................................................................... 25
2.1.1. Nhiệm vụ của bộ lọc tích cực .......................................................................... 25

iv


2.1.2. Giới hạn cơng suất của bộ lọc tích cực ........................................................... 25
2.2. Phân loại bộ lọc tích cực ..................................................................................... 26
2.2.1. Bộ lọc tích cực song song ............................................................................... 26
2.2.2. Bộ lọc tích cực nối tiếp ................................................................................... 28
2.2.3. Bộ lọc tích cực dựa theo nguồn cung cấp điện ............................................... 29
2.2.4. Bộ lọc tích cực theo bộ biến đổi cơng suất ..................................................... 31
2.3. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực ............................................................... 32

2.4. Các thuật tốn lọc tích cực .................................................................................. 35
2.4.1 Các thuật tốn lọc tích cực dựa trên miền tần số ............................................. 35
2.4.1.1 Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform) ..................................... 35
2.4.1.2 Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform) ............................................ 36
2.4.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian .................................. 36
2.4.2.1. Phương pháp xác định dòng bù trong hệ dq ............................................ 37
2.4.2.2 Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q ............................. 38
2.5. Xây dựng cấu trúc điều khiển ............................................................................. 42
2.6. Kết luận chương 2................................................................................................. 44
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ......... 45
3.1. Xây dựng mơ hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [5] ...................... 45
3.1.1. Khối nguồn xoay chiều 3 pha.......................................................................... 45
3.1.2. Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI................................................... 45
3.1.3. Khối bộ lọc tích cực ........................................................................................ 46
3.1.4 Khâu tính toán độ méo dạng (THD) ................................................................ 53
3.1.5 Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dịng điện và điện áp ba pha .................... 53
3.1.6. Khâu đo dòng điện, điện áp............................................................................. 54
3.2. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................................... 54
3.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống ......................................... 56
3.3.1 Kết quả mơ phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực ................................... 56
3.3.2. Kết quả mơ phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực ........................................... 58
3.3.3. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống ....................................................... 63
3.4. Kết luận chương 3................................................................................................. 64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 66

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

f

Tần số lưới điện

2

f(t)

Hàm chu kỳ không sin

3

U1

Biên độ thành phần điện áp điều hoà cơ bản

4

Un

Biên độ thành phần điện áp điều hồ bậc n

5

I1

Biên độ thành phần dịng điện điều hồ cơ bản

6

In

Biên độ thành phần dịng điện điều hồ bậc n

7

PF

Hệ số công suất

8

p

Công suất tác dụng tức thời

9

q

Công suất phản kháng tức thời

10

P

Công suất tác dụng

11

Q

Công suất phản kháng

12

R

Điện trở lọc

13

L

Điện cảm lọc

14

C

Điện dung lọc

15

iS

Dòng điện nguồn

16

iL

Dòng điện lưới phía tải (dịng tải)

17

iF

Dịng điện chạy qua bộ lọc

18

Us

Điện áp nguồn

19

Uh

Điện áp thành phần điều hoà bậc cao

20

UF

Điện áp thành phần cơ bản

21

u0, u, u

Điện áp biểu diễn trên hệ trục 

22

ua, ub, uc

Điện áp biểu diễn trên hệ trục abc

23

ia, ib, ic

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục abc

24

i0, i, i

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục 

25

ud, uq

Điện áp biểu diễn trên hệ trục dq

vi


26

id, iq

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục dq

27



Tần số góc nguồn điện

28

Udc

Điện áp 1 chiều

29

S

Cơng suất biểu kiến
,

30

dịng 1 chiều
Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần

31
32

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần

dòng xoay chiều
T

Chu kỳ dòng điện

Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

33

CSPK

Công suất phản kháng

34

CSTD

Công suất tác dụng

35

THD

Hệ số méo dạng

36

SVC

Đóng ngắt bằng Thyristor

37

DC

Một chiều

38

AC

Xoay chiều

39

AFn

Bộ lọc tích cực song song

40

AFS

Bộ lọc tích cực nối tiếp

41

TSR

Thyristor Switched Reactor

42

TCR

Thyristor controller Reactor

43

DFT

Discrete Fourier Transform

44

FFT

Fast Fourier Transform

45

PLL

Phase locked loop

46

SVM

Space vector modulation method

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp .................................. 8
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện ............................... 9
Bảng 1.3: IEC 1000-3-4 ............................................................................................. 9
Bảng 1.4. Mang tải của đường dây trung thế sau trạm 110kV Lạng Sơn ............... 19
Bảng 1.5. Tổn thất điện năng qua các năm của thành phố Lạng Sơn ...................... 21
Bảng 1.6. Kết quả công suất các lộ trung thế ........................................................... 21
Bảng 1.7. Tổn thất điện năng kỹ thuật qua các năm của TP Lạng Sơn .................... 22

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ khơng sin) ........................ 4
Hình 1.2: Các thành phần sóng điều hịa .................................................................................... 5
Hình 1.3: Phân tích Fn thành an và bn .......................................................................................... 6
Hình 1.4: Phổ của các thành phần điều hịa ................................................................................ 6
Hình 1.5: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha khơng điều khiển ........................................ 10
Hình 1.6: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không
điều khiển ................................................................................................................................. 10
Hình 1.7: Dạng dịng điện phía nguồn và phổ tần .................................................................... 11
Hình 1.8: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha khơng điều khiển ....................................... 11
Hình 1.9: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển12
Hình 1.10: Dạng dịng điện phía nguồn và phổ tần ................................................................. 12
Hình 1.11: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp qua bộ điều khiển
PI............................................................................................................................................... 13
Hình 1.12: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều
khiển trực tiếp ........................................................................................................................... 13
Hình 1.13: Dạng dịng điện phía nguồn và phổ tần ................................................................. 14
Hình 1.14: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển PWM................................ 14
Hình 1.15: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu ............................... 15
Hình 1.16: Dạng dịng điện pha A phía nguồn và phổ tần ...................................................... 15
Hình 1.17: Sơ đồ kết dây cơ bản lưới điện Thành phố Lạng Sơn ............................................ 17
Hình 1.18: Trạm 110KV Lạng Sơn .......................................................................................... 18
Hình 1.19: Hình ảnh cơng ty cổ phần xây lắp điện Lạng Sơn ................................................. 23
Hình 1.20: Hình ảnh cơng ty cổ phần xi măng Lạng Sơn ....................................................... 23
Hình 2.1: Bộ lọc tích cực song song ......................................................................................... 26
Hình 2.2: Cấu trúc bộ lọc tích cực song song ........................................................................... 28
Hình 2.3: Bộ tíc cực nối tiếp.................................................................................................... 28
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý làm việc của AFS ........................................................................... 29

Hình 2.5: Bộ lọc tích cực 3 dây ................................................................................................ 30
Hình 2.6: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa ......................................................................... 30
Hình 2.7: Bộ lọc tích cực 4 dây ............................................................................................... 31

ix


Hình 2.8: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn áp VSI ....................................................... 31
Hình 2.9: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn dịng CSI ................................................... 32
Hình 2.10: Nguyên lý bù công suất phản kháng của bộ bù tích cực ........................................ 33
Hình 2.11: Trạng thái hấp thụ cơng suất của bộ lọc tích cực ................................................... 34
Hình 2.12: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ lọc .................................................. 34
Hình 2.13: Phương pháp FFT ................................................................................................... 36
Hình 2.14: Thuật tốn xác định dịng bù trong hệ dq ............................................................... 37
Hình 2.17: Lưu đồ thuật tốn tính dịng bù theo lý thuyết p-q ................................................. 42
Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực ........................................... 43
Hình 3.1: Khối nguồn ba pha................................................................................................... 45
Hình 3.2: Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dịng PI ............................................................ 46
Hình 3.3. Bộ biến đổi và thơng số của bộ biến đổi................................................................... 47
Hình 3.4: Mạch điều khiển của bộ lọc ...................................................................................... 48
Hình 3.5: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ ................................................................................. 49
Hình 3.6: Khâu tính bù cơng suất PQ ...................................................................................... 50
Hình 3.7: Khâu tính tốn dịng bù pq ....................................................................................... 51
Hình 3.8: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc .............................................................................. 51
Hình 3.9: Khối SVM ................................................................................................................ 52
Hình 3.10: Chọn các véc tơ ...................................................................................................... 52
Hình 3.11: Khâu tính tốn TDH và thơng số của TDH ............................................................ 53
Hình 3.12: Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu dịng áp ............................................................... 53
Hình 3.13: Khâu đo dịng điện, điện áp .................................................................................... 54
Hình 3.14: Sơ đồ mơ hình mơ phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi tuyến khi chưa

có bộ lọc tích cực ...................................................................................................................... 55
Hình 3.15. Sơ đồ mơ hình mơ phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi tuyến khi có bộ
lọc tích cực................................................................................................................................ 55
Hình 3.16: Dạng dịng điện nguồn............................................................................................ 56
Hình 3.17: Phân tích phổ và THD của dịng điện nguồn .......................................................... 56
Hình 3.18: Bảng số liệu phân tích phổ dịng điện nguồn pha A ............................................... 57
Hình 3.19: a) Dạng dịng điện 1 pha khi chưa có bộ lọc tác động; ......................................... 58
b) Dạng dịng điện 3 pha khi chưa có bộ lọc tác động ............................................................. 58
Hình 3.20: a) Dạng dịng điện 1 pha khi có bộ lọc tác động; .................................................. 59

x


b) Dạng dịng điện 3 pha khi có bộ lọc tác động ...................................................................... 59
Hình 3.21: Dạng dịng điện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác động .................................. 60
Hình 3.22: Dạng dịng điện khi có bộ lọc tác động xét tại thời điểm từ 0,4 đến 0,5s ............. 60
Hình 3.23: Phân tích phổ của dịng điện pha A khi có bộ lọc tác động .................................. 61
Hình 3.24: Cơng suất phản kháng của hệ thống ....................................................................... 61
Hình 3.25: Hệ số cơng suất cosφ ............................................................................................. 62
Hình 3.26: Đáp ứng cơng suất biểu kiến của hệ thống ............................................................. 62
Hình 3.27: Đáp ứng điện áp điều khiển Ud của hệ thống ......................................................... 63
Hình 3.28: Phân tích phần trăm phổ dịng điện nguồn pha A khi có bộ lọc ............................. 63

xi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp trong đất nước. Điện năng
cung cấp cho các phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về giá trị công suất mà chất

lượng điện năng cũng phải được đảm bảo. Trong điều kiện vận hành, truyền tải điện
năng, do trên các phụ tải có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các thành
phần sóng điều hịa bậc cao. Các thành phần sóng điều hịa bậc cao này gây ra nhiều
tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới
các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện năng... Do đó, các thành phần
dịng điều hịa bậc cao trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn các thành
phần điều hịa bậc cao.
Giải pháp để hạn chế sóng điều hịa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác
nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc tích cực dựa trên thiết bị điện tử cơng suất và
điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau như loại bỏ sóng hài và có khả
năng bù cơng suất phản kháng.
Từ những nhận định trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu phương pháp sử
dụng bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng lưới điện cung cấp cho các phụ tải. Vì vậy
tơi chọn đề tài: "Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng
điện năng cho lưới điện Thành Phố Lạng Sơn".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về hệ thống lưới điện phân phối cung cấp điện cho thành phố Lạng
Sơn của tỉnh Lạng sơn.
- Phân tích hiện tượng xuất hiện sóng hài bậc cao.
- Đề xuất thiết kế bộ lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao và có khả năng bù công
suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng nguồn điện cung cấp.
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn và phụ tải phát sinh sóng
hài.

1


Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển sử dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài

và bù cơng suất phản kháng.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống
Kết luận và kiến nghị

2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG
LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN
1.1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hịa bậc cao (sóng hài) trong
lưới điện
1.1.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao
Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong đời sống dân sinh cũng như sản xuất
công nghiệp hết sức đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, đồng nghĩa kéo
theo đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ thống
cung cấp điện.
Như ta đã biết rằng, điện năng truyền tải trong hệ thống cung cấp điện thơng qua
việc sử dụng một sóng điện từ có tần số 50 Hz (Việt Nam) hoặc 60 Hz (Mỹ, Nhật), gọi
là sóng cơ bản. Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân như: Sự cố đường dây,
các phụ tải phi tuyến như: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ… làm cho phát sinh
phía nguồn hệ thống cung cấp điện các sóng điện từ có tần số bằng bội số nguyên lần
tần số cơ bản. Các sóng này gọi chung là sóng điều hịa bậc cao (hay cịn gọi là sóng
hài).
Sự tồn tại của các sóng điều hịa bậc cao trong hệ thống điện gây ảnh hưởng
không tốt tới các thiết bị điện và đường dây truyền tải. Chúng gây ra hiện tượng: quá
áp, méo điện áp lưới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụ tải, giảm
chất lượng điện năng và gián đoạn cung cấp điện.
Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hịa bậc cao ra khỏi hệ thống
điện. Các thiết bị được sử dụng để loại bỏ sóng điều hịa bậc cao gọi là các bộ lọc.

Có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong sản xuất công nghiệp.
Đề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực, đảm bảo các yêu cầu đặt ra
về chất lượng điện năng cho lưới cung cấp và phân phối điện đến phụ tải.
1.1.2. Tổng quan về sóng điều hịa bậc cao
Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ra tại các nhà máy
điện, trạm điện lớn có chất lượng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc
biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng

3


khơng cịn dạng sin [10, 11] được thể hiện trên hình 1.1b.

100

50

0

-50

-100
0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.09

0.1

a)

100

50

0

-50

-100
0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

b)

0.06

0.07

0.08

Hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ khơng sin)
Sóng chu kỳ khơng sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng điều hồ mà
tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản.
Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hịa bậc cao có thể chia thành các
thành phần thứ tự thuận, nghịch và khơng:
- Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hịa bậc 4, 7, 11…
- Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hịa bậc 2, 5, 8…
- Thành phần thứ tự khơng: các sóng điều hịa 3, 6, 9…
Khi xảy ra trường hợp khơng cân bằng trong các pha thì mỗi sóng điều hịa có
thể bao gồm một trong ba thành phần trên.
Sóng điều hịa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện nên cần phải

chú ý khi tổng sóng điều hịa dịng điện bậc cao lớn hơn mức độ cho phép. Sóng điều

4


hịa dịng điện bậc cao là dịng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản.
Thí dụ: Ta có dịng điện với tần số 150(Hz) tồn tại trên lưới làm việc với tần số
50(Hz), suy ra đây là dòng điều hòa bậc 3 và dòng 150(Hz) này là dịng khơng sử
dụng được với các thiết bị làm việc trên lưới 50(Hz). Vì vậy nó sẽ chuyển thành dạng
nhiệt năng và gây tổn hao.
1.5

f(t)
Thành phần cơ bản

1

Thành phần bậc 5

0.5
0

Thành phần bậc 7

-0.5
-1
-1.5

Hình 1.2: Các thành phần sóng điều hịa
Để phân tích sóng chu kỳ khơng sin thành các sóng điều hồ, ta sử dụng chuỗi

Fourier với chu kỳ T(s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz) hoặc ω = 2πf (rad/s), có thể
biểu diễn một sóng chu kỳ khơng sin f(t) theo Fourier như biểu thức sau:
(1.1)
Trong đó :
: Giá trị trung bình
Fn: Biên độ của sóng điều hịa bậc n trong chuỗi Fourier
Thành phần sóng cơ bản
Thành phần sóng cơ bản
: Góc pha của sóng điều hịa bậc n
Ta có thể viết như sau:
(1.2)
Ta quy ước:
Khi đó ta có thể viết như sau:

5


(1.3)

Im
FFT window: 1 of 10.96 cycles of selected signal
2000
1000
0

Re

-1000
-2000

Hình 1.3: Phân tích Fn thành an và bn
0.2

0.205

0.21

Ví dụ phổ của hài được thể hiệnTime
như(s)sau:

0.215

Fundamental (50Hz) = 1205 , THD= 8.40%

Mag (% of Fundamental)

8

6

4

2

0

0

5

10
Harmonic order

15

20

Hình 1.4: Phổ của các thành phần điều hòa
Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan trọng nhất
dùng để đánh giá sóng điều hịa bậc cao.


THD 
Trong đó:

 X n2
n2

(1.4)

X1

X1: Biên độ thành phần cơ bản
Xn: Biên độ thành phần điều hòa bậc n.

Từ cơng thức trên ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp qua hệ số
méo dạng như sau:

6

 Hệ số méo dạng dịng điện:


THD 
Trong đó:

 I n2
n2

(1.5)

I1

I1: Biên độ thành phần dòng cơ bản
In: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n.

 Hệ số méo dạng điện áp:


THD 
Trong đó:

U n2
n2

(1.6)

U1

U1: Biên độ thành phần điện áp cơ bản
Un: Biên độ thành phần điện áp điều hòa bậc n.

Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn như IEEE 519-2014, IEC 1000-4-3 về giới
hạn thành phần sóng điều hịa bậc cao trên lưới, đối với mỗi loại tải qui định THD <
5%, riêng đối với tải kỹ thuật số THD < 3%.
1.1.3. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên
lưới điện
*. Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hịa bậc cao đó là việc làm tăng giá
trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua cơng
thức sau:
=

(1.7)

=

(1.8)

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dịng điện tăng do
sóng điều hòa bậc cao, sẽ dẫn đến tăng tổn hao nhiệt, làm hỏng cách điện của các thiết
bị, gây ra các hỏng hóc khơng mong muốn. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao lênn
một số thiết bị như sau:

7


 Các máy điện quay: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng;
Làm méo mômen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; Có thể gây ra dao động cộng
hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí…

 Các thiết bị đóng cắt: Làm tăng nhiệt độ và tổn hao trên thiết bị; Có thể gây
hiện tượng khó đóng cắt, kéo dài q trình dập hồ quang dẫn đến tuổi thọ của thiết bị
giảm…
 Các rơ le bảo vệ: Có thể gây tác động sai, tác động ngược, …
 Các tụ điện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất điện môi (làm giảm
dung lượng tụ), gây hiện tượng cộng hưởng trên tụ…
 Các dụng cụ đo: Ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị sử dụng đĩa cảm
ứng, như: điện kế, rơ le q dịng…
 Thiết bị điều khiển điện tử cơng suất: Việc điện áp bị méo có thể gây ra
trường hợp xác định điểm khơng để tính góc mở cho các khóa điện tử cơng suất bị sai,
làm cho mạch hoạt động khơng chính xác…
* Giới hạn về thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện.
Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn:
- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp:
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp
Điện áp tại điểm nối
chung

Nhiễu điện áp từng loại
sóng điều hịa(%)=

Nhiễu điện áp tổng
cộng các loại sóng
điều hịa THD (%)

≤ 69 KV

3,0

5,0

Trên 69 KV đến 161KV

1,5

2,5

Trên 161 KV

1,0

1,5

- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung (từ
120V đến 69KV) (tính theo % của Itải).

8


Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện
Tỷ số ngắn

h<11

11≤h<17

17≤h<23

<20

4,0

2,0

1,5

0,6

0,3

5,0

Từ 20 đến 50

7,0

3,5

2,5

1,0

0,5

8,0

Từ 50 đến 100

10,0

4,5

4,0

1,5

0,7

12,0

Từ 100 đến 1000

12,0

5,5

5,0

2,0

1,0

15,0

Trên 1000

15,0

7,0

6,0

2,5

1,4

20,0

mạch(SCR=ISC/Itải)

23≤h<35 35≤h

THD

 Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên
 h: Bậc của sóng điều hịa
-

IEC 1000-3-4 cho thiết bị có dịng đầu vào mỗi pha trên 75A
Bảng 1.3: IEC 1000-3-4

Bậc sóng điều
hịa (n)

Giá trị

Bậc sóng điều
hịa (n)

(%)

chấp nhận.

Giá trị

(%)

chấp nhận.

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

1.1.4. Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài
Nguồn tạo sóng hài trong hệ thống cung cấp điện được tạo ra bởi các tải phi
tuyến.
Các thiết bị điện tử công suất
Các thiết bị điện tử công suất bản thân được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn
như Diot, Thyristor, mosfet, IGBT, GTO…là các phần tử phi tuyến gây nên các sóng
điều hịa bậc cao. Tùy theo cấu trúc của các bộ biến đổi mà có thể sinh ra các dạng
sóng điều hịa khác nhau. Thơng thường, để hạn chế sóng điều hịa bậc cao, người ta
sử dụng các mạch chỉnh lưu cầu ba ghép lại với nhau thành bộ chỉnh lưu 12 xung

9


hoặc bộ chỉnh lưu 24 xung; tức là tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên. Tuy nhiên
khi chọn giải pháp như vậy sẽ dẫn tới thiết bị cồng kềnh, tổn thất điện áp lớn…
*. Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển cung cấp cho một phụ
tải R-L nối tiếp có mơ hình như hình 1.5:

Hình 1.5: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha khơng điều khiển

Hình 1.6: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1
pha không điều khiển

10

Hình 1.7: Dạng dịng điện phía nguồn và phổ tần
*. Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển cung cấp cho một phụ
tải R-L nối tiếp có mơ hình như hình 1.8:

Hình 1.8: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha không điều khiển

11


Dac tinh dong dien nguon cung cap
1000
800
600
400

i (A)

200
0
-200
-400
-600
-800
-1000

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

t(s)

Hình 1.9: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh
lưu cầu pha khơng điều khiển

Hình 1.10: Dạng dịng điện phía nguồn và phổ tần

12

0.18