Nghiên cứu lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng của mạng điện cấp cho nhà máy gang thép lào cai

i
LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Ngô Đức Hiếu
Học viên: Lớp cao học K21 KTĐ, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- Đại học Thái Nguyên.
Nơi công tác: Trường Cao đẳng Lào Cai, TP Lào Cai
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu lọc sóng hài để cải thiện chất
lượng điện năng của mạng điện cấp cho Nhà máy Gang thép Lào Cai”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này
là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
Trần Xuân Minh và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ
thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Mọi thông tin trích dẫn trong luận
văn này đã được ghi rõ nguồn gốc.
Tơi xin hịan tồn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020
Học viên thực hiện

Ngô Đức Hiếu


ii
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận
được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Trần Xuân Minh, người trực
tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu
sắc tới thầy.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện tốt nhất
để tơi có thể hịan thành đề tài nghiên cứu này. Tơi cũng xin chân thành cảm
ơn những đóng góp q báu của các bạn cùng lớp động viên và giúp đỡ tơi

trong q trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan
xí nghiệp, đặc biệt là Nhà máy Gang thép Lào Cai đã giúp tơi khảo sát tìm hiểu
thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn.
Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng
nghiệp và bạn bè đã ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tơi trong
suốt q trình học tập và nghiên cứu hòan thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020
Học viên

Ngô Đức Hiếu


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................I
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. II
MỤC LỤC ..................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT ...................................................................... V
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ VI
DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ .......................................... VII
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .................................................................. 1
3. Kết quả dự kiến ........................................................................................... 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................. 2
5. Công cụ, thiết bị nghiên cứu....................................................................... 2
6. Bố cục đề tài ................................................................................................. 2
7. Kế hoạch thực hiện...................................................................................... 2
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN MẠNG ĐIỆN NHÀ MÁY GANG THÉP LÀO
CAI.................................................................................................................... 4

1.1. Tổng quan chung ...................................................................................... 4
1.2. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện của Nhà máy Gang thép Lào Cai....... 5
1.3. Các tải sử dụng của nhà máy gang thép Lào Cai gây ra sóng hài .... 12
1.3.1. Máy biến áp ........................................................................................ 12
1.3.2. Động cơ .............................................................................................. 12
1.3.3. Đèn huỳnh quang, đèn LED............................................................... 12
1.3.4. Các thiết bị hồ quang ......................................................................... 12
1.3.5. Các thiết bị điện tử ............................................................................. 13
1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................. 13
CHƯƠNG 2:SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC
SÓNG HÀI ..................................................................................................... 14
2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 14


iv
2.2. Tổng quan về sóng điều hịa bậc cao .................................................... 15
2.2.1. Ảnh hưởng của sóng điều hịa bậc cao và quy định giới hạn thành phần
sóng điều hịa bậc cao trên lưới điện............................................................ 17
2.2.2. Một số nguồn tạo sóng điều hịa bậc cao trong cơng nghiệp .......... 20
2.3. Phương pháp lọc sóng hài bậc cao ........................................................ 26
2.3.1. Bộ lọc sóng điều hòa bậc cao............................................................. 26
2.3.2. Các dạng cơ bản của bộ lọc tích cực.................................................. 33
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................. 36
CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SĨNG HÀI CHO
MẠNG ĐIỆN NHÀ MÁY GANG THÉP LÀO CAI. ................................ 38
3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 38
3.2. Lý thuyết về phương pháp lọc tích cực ................................................ 38
3.2.1. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền tần số .......................... 38
3.2.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian ..................... 40
3.3. Thiết kế điều khiển bộ lọc tích cực song song dự trên lý thuyết công

suất tức thời p-q............................................................................................. 52
3.3.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................. 52
3.3.2. Cấu trúc điều khiển ............................................................................ 53
3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................. 57
CHƯƠNG 4:MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG.
......................................................................................................................... 58
4.1. Chương trình mơ phỏng bộ lọc bằng Matlab-Simulink ..................... 58
4.2. Thơng số các phần tử cơ bản và tham số các bộ điều khiển .............. 60
4.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 60
4.4. Kết luận chương 4 .................................................................................. 64
Kết luận .......................................................................................................... 65
Kiến nghị ........................................................................................................ 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 66


v
DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT
Thuật ngữ đầy đủ

Chữ viết tắt

Chú thích
Cung cấp

CCĐ

điện.

LED

Light Emitting Diode

DFT

Discrete Fourier Transform

FFT

Fast Fourier Transform

APF

Active Power Filter

PWM

Pulse Width Modulation

LDF

Low Pass Filter

UPS

Uninterruptible Power Supply

MBA

Máy biến áp

THD

Total Harmonic Distortion

MW

Mêgawatt

KV

Kilovolt

IFFT

Inverse Fast Fourier Transfrom

PID

Proportional Integral Derivative

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor


vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Tiêu chuẩn ieee std 519 về giới hạn nhiễu điện áp ........................ 18
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn ieee std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện .................... 19
Bảng 2.3: Iec 1000-3-4 .................................................................................... 19

vii
DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ
Hình 1.1. Hình ảnh nhà máy gang thép lào cai ................................................. 4
Hình 1.2. Sơ đồ đo lường và bảo vệ trạm biến áp 11 0kv nhà máy gang thép lào
cai ...................................................................................................................... 7
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện của nhà máy gang thép lào
cai ...................................................................................................................... 8
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 110 kv nhà máy gang thép lào cai .... 8
Hình 1.5. Sơ đồ trạm phân phối 10kv phân xưởng luyện thép nhà máy gang
thép lào cai ........................................................................................................ 9
Hình 1.6. Sơ đồ trạm phân phối 10kv phân xưởng thiêu kết - nhà máy gang thép
lào cai ................................................................................................................ 9
Hình 1.7. Sơ đồ trạm phân phối 10kv phân luyện gang nhà máy gang thép lào
cai .................................................................................................................... 10
Hình 1.8. Sơ đồ trạm 10kv hệ thống quạt gió lị cao ...................................... 10
Nhà máy gang thép lào cai .............................................................................. 10
Hình 1.9. Sơ đồ trạm phân phối 10kv phân xưởng ô xy - ni tơ nhà máy gang
thép lào cai ...................................................................................................... 11
Hình 1.10. Sơ đồ đấu dây trạm biến áp phân xưởng khí nén nhà máy gang thép
lào cai .............................................................................................................. 11
Hình 2.1. A) dạng sóng sin, b) dạng sóng sin bị méo(sóng chu kỳ khơng sin)
......................................................................................................................... 15
Hình 2.2. Các thành phần sóng điều hịa......................................................... 16
Hình 2.3. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha bằng diode ................. 21
Hình 2.4. Dạng dòng điện nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha khơng điều khiển
......................................................................................................................... 21
Hình 2.5. Phổ sóng hài dịng điện nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển
......................................................................................................................... 22

Hình 2.6. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode ................. 22


viii
Hình 2.7. Dạng dịng điện nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode. .... 23
Hình 2.8. Phổ sóng hài dòng điện nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode
......................................................................................................................... 23
Hình 2.9. Mơ hình mơ phỏng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển (dùng
thyristor) .......................................................................................................... 24
Hình 2.10. Dạng dịng điện nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển khi
 = 300 ............................................................................................................. 24
Hình 2.11. Phổ sóng hài dịng điện nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều
khiển khi  = 300 ............................................................................................. 24
Hình 2.12. Phổ sóng hài dịng điện nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều
khiển khi  = 900 ............................................................................................ 25
Hình 2.13. Dạng dịng điện nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển khi
 = 900 ............................................................................................................ 25
Hình 2.14. Sơ đồ bộ lọc r-c với các tụ đấu sao có trung tính nối ................... 27
Hình 2.15. Sơ đồ bộ lọc l-c với các tụ đấu sao có trung tính nối đất .............. 28
Hình 2.16. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống khi chưa có bộ lọc thụ động ............... 28
Hình 2.17. Dạng điện áp và dịng điện tại vị trí b1 khi chưa có bộ lọc thụ động
......................................................................................................................... 29
Hình 2.18. Dạng dịng điện tại vị trí b2 khi chưa có bộ lọc thụ động............. 29
Hình 2.19. Phổ sóng hài điện áp tại vị trí b1 và b2 khi chưa có bộ lọc thụ động
......................................................................................................................... 30
Hình 2.20. Mơ hình mơ phỏng hệ thống khi có các bộ lọc thụ động ............. 31
Hình 2.21. Phổ sóng hài điện áp tại điểm b1 khi có các bộ lọc thụ động ....... 31
Hình 2.22. Cấu trúc mạng điện có bộ lọc tích cực song song ........................ 34
Hình 2.23. Cấu trúc mạng điện có bộ lọc tích cực nối tiếp............................. 35
Hình 2.24. Cấu trúc bộ lọc kết hợp bộ lọc tích cực và bộ lọc thụ động ......... 36

Hình 3.1. Minh họa phương pháp fft .............................................................. 40
Hình 3.2. Thuật tốn xác định dịng bù trong hệ dq ....................................... 41
Hình 3.3. Thuật tốn lựa chọn sóng điều hịa cần bù trong hệ dq .................. 42


ix
Hình 3.4. Các thành phần cơng suất của lý thuyết p-q trong tọa độ abc ........ 48
Hình 3.5. Các thành phần công suất cần bù p, q, p0 , p0 trong tọa độ abc ...... 49
Hình 3.6. Cấu trúc tính tốn dịng điện đặt cho bộ lọc tích cực ..................... 51
Sử dụng lý thuyết công suất tức thời p-q ........................................................ 51
Hình 3.7. Sơ đồ ngun lý bộ lọc tính cực song song .................................... 52
Hình 3.8. Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực sử dụng bộ điều khiển pi ........ 53
Hình 3.9. Cấu trúc bộ điều khiển mạch vịng điện áp .................................... 55
Hình 3.10. Cấu trúc bộ điều khiển dịng điện ................................................. 55
Hình 3.11. Minh họa nguyên lý làm việc của khối pwm ................................ 56
Hinh 4.1. Chương trinh mo phỏng hoạt dộng bộ lọc tich cực song song trong
matlad- simulink- plecs ................................................................................... 58
Hình 4.2. Dịng điện tải pha a và kết quả phân tích fourier của nó (dịng điện
nguồn của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode)............................................... 61
Hình 4.3. Dịng điện đầu ra bộ lọc (dịng bù sóng hài) ................................... 61
Hình 4.4. Dịng điện ba pha của nguồn khi có bộ lọc sóng hài ...................... 62
Hình 4.5. Điện áp trên tụ của bộ lọc ............................................................... 62
Hình 4.6. Dịng điện nguồn pha a và kết quả phân tích fourier của nó .......... 63


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và sự ứng dụng ngày
càng nhiều các bộ biến đổi bán dẫn công suất và một số loại phụ tải điện phi

tuyến khác làm xuất hiện sóng hài bậc cao với biên độ quá mức cho phép trong
hệ thống cung cấp điện. Các sóng hài dịng điện gây ra nhiều ảnh hưởng xấu
đến quá trình truyền tải điện năng như tăng tổn thất công suất, tăng sai số của
thiết bị đo lường, gây nhiễu cho hệ thống thông tin, làm méo dạng điện áp
nguồn (điện áp nguồn mất dạng hình sin) ảnh hưởng không tốt đến các thiết bị
sử dụng điện,... Mức độ sử dụng các thiết bị hiện đại càng tăng, sự phát triển
của công nghiệp càng mạnh kéo theo dung lượng các loại tải phi tuyến gây ra
sóng hài dịng điện càng lớn. Để đảm bảo chất lượng điện năng, yêu cầu biên
độ sóng hài bậc cao trong dịng điện lưới phải nằm trong một giới hạn nhất
định. Trên thế giới đã và đang áp dụng các tiêu chuẩn để khống chế mức ơ
nhiễm sóng hài như tiêu chuẩn: IEEE 159-2014, IEC 1000-4-3.
Với đặc điểm các loại phụ tải điện của Nhà máy Gang thép Lào Cai,
nhiều phụ tải trong Nhà máy có thể gây ra các sóng hài dịng điện ảnh hưởng
đến các hộ tiêu thụ dùng chung đường nguồn cấp với Nhà máy. Vì vậy, để giảm
ảnh hưởng của sóng hài bậc cao do các tải phi tuyến của Nhà máy gây ra và
đảm bảo các tiêu chuẩn quy định về sóng hài thì việc sử dụng thiết bị lọc sóng
là cần thiết. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu lọc sóng hài để cải
thiện chất lượng điện năng của mạng điện cấp cho Nhà máy Gang thép Lào
Cai”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tổng quan về mạng điện cấp cho Nhà máy Gang thép Lào Cai.
- Lựa chọn phương pháp xác định thành phần sóng hài dịng điện lưới.
- Thiết kế cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao
cho mạng điện hạ áp, áp dụng cho mạng điện của Nhà máy Gang thép Lào
Cai.
- Mô phỏng, đánh giá chất lượng hệ thống.


2
3. Kết quả dự kiến

- Mơ hình và cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực cho một hoặc một nhóm
phụ tải phi tuyến.
- Mơ hình (chương trình) và kết quả mơ phỏng bộ lọc tích cực trong
mạng hạ áp trong Matlab-Simulink.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mạng điện của Nhà máy Gang thép Lào Cai;
- Sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến;
- Bộ lọc tích cực.
5. Cơng cụ, thiết bị nghiên cứu
Máy tính và phần mềm mơ phỏng Matlab/Simulink.
6. Bố cục đề tài
Ngồi các phần Mở đầu, Kết luận và hướng phát triển, Tài liệu tham
khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm 4 chương sau:
Chương 1: Tổng quan mạng điện Nhà máy Gang thép Lào Cai
Chương 2: Sóng hài bậc cao và các phương pháp lọc sóng hài
Chương 3: Thiết kế bộ lọc tích cực để lọc sóng hài cho mạng điện Nhà
máy Gang thép Lào Cai
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống
7. Kế hoạch thực hiện
Toàn bộ nội dung của luận văn được thực hiện trong 6 tháng kể từ ngày
có quyết định. Kế hoạch thực hiện được cụ thể như sau:
STT
1

Nội dung nghiêncứu
Nghiên cứu tổng quan về mạng điện Nhà máy Gang
thép Lào Cai

Thời gian Ghi
thực hiện chú

1 tháng

2

Nghiên cứu về sóng hài bậc cao

1 tháng

3

Phương pháp khử sóng hài bậc cao

1 tháng

4

Xây dựng mơ hình tốn của đối tượng điều khiển;

1 tháng


3
5
6

Thiết kế điều khiển bộ lọc tích cực, mơ phỏng, hiệu
chỉnh thơng số, đánh giá chất lượng hệ thống;
Hồn thiện luận văn

1 tháng

1 tháng


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN MẠNG ĐIỆN NHÀ MÁY GANG THÉP LÀO CAI
1.1. Tổng quan chung
Nhà máy Gang thép Lào Cai khởi công xây dựng vào tháng 4/2011. Đây
là dự án sản xuất công nghiệp cấp Trung ương quản lý, do liên doanh Tập đồn
Gang thép Cơn Gang (Trung Quốc) và Tổng công ty Thép Việt Nam đầu tư với
tổng vốn 337 triệu USD (trong đó phía Trung Quốc góp 45%).
Dự án được chia làm 2 giai đoạn, trong đó, giai đoạn I có cơng suất thiết
kế 500.000 tấn gang/năm và xưởng luyện phôi thép với công suất 500.000
tấn/năm. Giai đoạn II sẽ nâng công suất lên gấp 2 lần với việc xây dựng thêm
một dây chuyền cán thép và mở rộng mặt bằng xây dựng nhà máy theo quy
hoạch.
Nhà máy Gang thép Lào Cai sẽ sản xuất khối lượng sản phẩm cơng
nghiệp có trị giá 7.000 tỷ đồng, nộp ngân sách Nhà nước 700 tỷ đồng/năm.
Nguồn nguyên liệu chủ yếu là quặng sắt khai thác tại mỏ Quý Xa (Văn Bàn)
với tổng trữ lượng 120 triệu tấn.

Hình 1.1. Hình ảnh Nhà máy Gang thép Lào Cai
Tên gọi đầy đủ: Công ty TNHH Khoáng sản và Luyện kim Việt – Trung


5
Tên viết tắt: VTM
Trụ sở chính: KCN Tằng Loỏng, Thị trấn Tằng Loỏng, Huyện Bảo
Thắng, Tỉnh Lào Cai. Tel: (84.214) 3836 885- Fax: (84.214) 3830 345
1.2. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện của Nhà máy Gang thép Lào Cai

Điện năng được sản xuất ra từ nhà máy điện và truyền tải trên mạng.
Điện năng là nguồn năng lượng chủ yếu khơng gì thay thế được trong mọi hoạt
động sản xuất của một nhà máy xí nghiệp cơng nghiệp. Từ hoạt động của các
máy móc thiết bị động lực, hệ thống chiếu sáng trong nhà máy đến hoạt động
của các hệ thống các thiết bị sinh hoạt, thiết bị thí nghiệm, thiết bị văn
phịng…phục vụ cho cơng tác quản lí, điều chỉnh và điều hành sản xuất. Vì
vậy bất cứ một nhà máy, xí nghiệp nào cũng địi hỏi phải được ứng dụng thiết
kế hệ thống cung cấp điện đúng đắn nhất. Có vậy mới đáp ứng được nhu cầu
sử dụng điện và hiệu quả sử dụng điện của các loại hộ tiêu thụ trong nhà máy,
xí nghiệp đó.
Một hệ thống cung cấp điện cho một xí nghiệp cơng nghiệp bao gồm các
khâu chính như sau:
+ Trạm biến áp (có thể cả đường dây trên không đến trạm biến áp)
+ Mạng điện sau trạm biến áp đến các phân xưởng.
+ Mạng điện trong các phân xưởng.
Nếu là một xí nghiệp có qui mơ lớn, gồm nhiều trạm biến áp hay phải
thành lập trạm biến áp trung gian thì ta phải thiết kế sơ đồ nối dây hay hệ thống
phân phối cao áp cho các trạm biến áp. Một hệ thống cung cấp điện hợp lí nhất
hay gọi là phương án tối ưu nhất nó phải được lựa chọn qua bài tốn so sánh
theo hai chỉ tiêu chính là kỹ thuật và tính kinh tế của một vài phương án đưa ra
có tính thuyết phục cao. Muốn vậy phải tìm hiểu kỹ các đặc điểm của quy trình
sản xuất, đánh giá phân loại hộ phụ tải cho từng máy, từng nhóm máy từng
phân xưởng…và nhà máy. Tức là công việc đầu tiên khi thiết kế ta phải phân
tích q trình cơng nghệ của nhà máy.
Nhà máy gang thép Lào Cai là một nhà máy mang những nét đặc trưng


6
cơ bản của những nhà máy xí nghiệp cơng nghiệp thường có trong thực tế. Nhà
máy có 9 hộ phụ tải chính là các phân xưởng, nhà hành chính, các kho, phịng

kiểm nghiệm, ngồi ra cịn có trạm bơm, bãi trống đường đi, vườn hoa…Với
các chức năng và nhiệm vụ chính như sau:
Mỗi hội phụ tải có u cầu CCĐ riêng, nó tuỳ thuộc vào tầm quan trọng
của loại phụ tải và yêu cầu của phụ tải, dựa vào đó nguời ta chia hộ phụ tải ra
làm 3 loại như sau:
- Hộ phụ tải loại I
Gồm các thiết bị nếu ngừng CCĐ cho nó sẽ gây ra nguy hiểm đến tính
mạng con nguời, làm hư hỏng nặng thiết bị, gây rối loạn q trình sản xuất của
xí nghiệp tạo ra hàng loạt phế phẩm ảnh hưởng lớn đến chính trị và gây thiệt
hại lớn cho nền kinh tế quốc dân. Vì vậy hộ phụ tải loại I u cầu tính liên tục
cấp điện rất cao không cho phép ngừng CCĐ. Hộ phụ tải loại I thường phải
đuợc cung cấp ít nhất từ hai nguồn độc lập hoặc có nguồn dự phòng nhanh giảm
thời gian mất điện xuống rất nhỏ. Thời gian mất điện với hộ loại I thường bằng
thời gian đóng nguồn dự phịng.
- Hộ phụ tải loại II
Hộ phụ tải loại II gồm các thiết bị nếu ngừng CCĐ nó sẽ gây ra nhiều
phế phẩm, ngừng trệ hoạt động trong xí nghiệp, có thể hư hỏng thiết bị nhưng
ở mức độ nhẹ hơn trường hợp trên, gây lãng phí lao động. Như vậy với hộ phụ
tải loại II nếu ngừng CCĐ chỉ gây thiệt hại về kinh tế. Nó có thể cho phép mất
điện trong một khoảng thời gian ngắn để thay thế các thiết bị hư hỏng. Phương
án CCĐ cho hộ phụ tải loại II có thể lấy điện từ một nguồn hoặc hai nguồn,
đường dây đơn hoặc kép, có nguồn dự phịng hoặc khơng có nguồn dự phòng,
phải dựa trên kết quả so sánh kinh tế giữa khoản tiền phải đầu tư thêm khi có
đặt thiết bị dự phòng với khoản tiền thiệt hại khi sản xuất bị ngừng trệ do mất
điện khi khơng có thiết bị dự phòng.
- Hộ phụ tải loại III
Hộ phụ tải loại III gồm các thiết bị cịn lại khơng nằm trong 2 loại trên.


7

Hộ phụ tải loại III có yêu cầu CCĐ liên tục thấp hơn so với hai loại trên. Cho
phép mất điện trong một thời gian dài để sửa chữa thay thế thiết bị khi cần
thiết. Phương án CCĐ cho hộ loại III có thể dùng một nguồn đường dây đơn
(một lộ).
Tổng lượng tiêu thụ điện của Nhà máy Gang thép trung bình đạt 630.000
kWh/ngày; đồng thời, đây cũng là nhà máy duy nhất tại Khu cơng nghiêp Tằng
Loỏng có trạm biến áp 110 kV. Bao gồm có 2 TBA chính 110 với cơng suất
trạm là 2×63MVA.

Hình 1.2. Sơ đồ đo lường và bảo vệ trạm biến áp 11 0kV Nhà máy
Gang thép Lào Cai


8

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện của Nhà
máy Gang thép Lào Cai

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 110 kV Nhà máy
Gang thép Lào Cai


9
Từ đó cung cấp điện tới các trạm phân phối:
+ Trạm phân phối 10KV luyện thép:

Hình 1.5. Sơ đồ trạm phân phối 10kV phân
xưởng luyện thép Nhà máy Gang thép Lào Cai
+ Trạm biến áp phân phối 10 KV thêu kết:

Hình 1.6. Sơ đồ trạm phân phối 10kV phân xưởng thiêu kết - Nhà máy
Gang thép Lào Cai


10
+ Trạm phân phối 10 KV luyện gang:

Hình 1.7. Sơ đồ trạm phân phối 10kV phân luyện gang Nhà máy Gang
thép Lào Cai
+ Trạm 10 KV quạt gió lị cao:

Hình 1.8. Sơ đồ trạm 10kV hệ thống quạt gió lị cao
Nhà máy Gang thép Lào Cai


11
+ Trạm phân phối 10 KV Ô xy – Ni tơ:

Hình 1.9. Sơ đồ trạm phân phối 10kV phân xưởng Ô xy - Ni tơ Nhà máy
Gang thép Lào Cai
+ Máy biến áp trạm khí nén 2×2000 KVA:

Hình 1.10. Sơ đồ đấu dây trạm biến áp phân xưởng khí nén Nhà máy Gang
thép Lào Cai


12
Nhà máy Gang Thép Lào Cai sau khi qua cải tạo dự án nâng cấp giai
đoạn I có rất nhiều hệ thống được trang bị điện tự động hoá.
1.3. Các tải sử dụng của nhà máy gang thép Lào Cai gây ra sóng hài

1.3.1. Máy biến áp
Nhà máy gang thép Lào Cai sử dụng rất nhiều máy biến áp: MBA trạm
khí nén, MBA trạm phân phối 10 KV Ơ xy – Ni tơ, MBA trạm 10 KV quạt gió
lị cao, MBA trạm phân phối 10kv luyện gang, MBA trạm phân phối 10kv luyện
thép, MBA trạm phân phối 10kv thêu kết. Trong quá trình hoạt động, nếu máy
biến áp lực xảy ra hiện tượng bão hòa mạch từ hoặc phải làm việc với điện áp
cao hơn điện áp định mức có thể sinh ra các sóng điều hịa bậc cao.
1.3.2. Động cơ
Nhà máy gang thép Lào Cai sử dụng rất nhiều các loại động cơ điện như
động cơ quạt gió, động cơ quạt khử bụi, động cơ bơm nước, động cơ băng
truyền quặng, động cơ cầu trục… Khi động cơ làm việc, biến thiên từ trở gây
ra bởi khe hở giữa stator và rotor có thể gây nên sóng điều hịa bậc cao. Các
máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng điều hịa bậc cao bởi vì dạng từ
trường, sự bão hịa trong các mạch chính và các đường dò và do các dây quấn
dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.
1.3.3. Đèn huỳnh quang, đèn LED
Nhà máy gang thép Lào Cai sử dụng rất nhiều đèn huỳnh quang, đèn
LED để chiếu sáng nhà xưởng, tuy nhiên với loại đèn huỳnh quang có dùng
chấn lưu điện tử và đèn LED dùng bộ chuyển đổi điện xoay chiều thành một
chiều cũng là loại phụ tải điện gây nên sóng hài cho mạng điện.
1.3.4. Các thiết bị hồ quang
Nhà máy gang thép Lào Cai sử dụng Các thiết bị hồ quang thường gặp
là các lị hồ quang cơng nghiệp cao tần và trung tần để nấu chảy kim loại. Ngoài
ra còn sử dụng rất nhiều máy hàn trong các xưởng sửa chữa,… Khi các thiết
bị hồ quang làm việc gây nên sóng điều hịa bậc cao rất lớn cho nguồn điện.
Tăng thời gian nấu chảy kim loại, cũng như tăng thời gian tạo ra sản phẩm dẫn


13
đến chi phí vận hành và chi phí năng lượng tăng cao. Ngồi ra cịn giảm cơng

suất nguồn cấp dẫn đến giảm hiệu suất vận hành của lò luyện.
1.3.5. Các thiết bị điện tử
Để có thể nung chảy nguyên liệu thành nước thép để đúc phôi tại Xưởng
luyện thép của Cơng ty TNHH Khống sản và Luyện kim Việt – Trung thì nhiệt
độ của lị nung phải đạt từ 1.600 đến 1.700 độ C và để gia tăng lên nhiệt độ như
vậy, cần khá nhiều năng lượng với sự hỗ trợ đắc lực của hệ thống quạt gió được
điều khiển nhờ thiết bị biến tần trung thế. Sau khi biến tần trung thế được đưa
vào hoạt động đã giúp cho việc vận hành linh hoạt hơn. Trên cơ sở thành công
khi lắp đặt biến tần trung thế tại xưởng luyện thép, Công ty tiếp tục lắp đặt biến
tần trung thế cho quạt gió khử bụi bãi ra gang, để tăng cường tính chủ động
trong vận hành, đồng thời tiết kiệm tối đa điện năng tiêu thụ. Với hệ thống biến
tần mới này, chỉ cần thao tác tại phòng điều khiển, khi ra gang mới cần động
cơ chạy tốc độ cao để hút được bụi tốt, khi khơng ra gang thì chạy ở tốc độ
thấp. Giải pháp sử dụng biến tần của công ty đã tiết kiệm một năm được khoảng
2 triệu số điện, tương đương tầm 3 tỷ đồng, tiết kiệm khoảng 62% so với hệ
thống cũ.
1.4. Kết luận chương 1
Trong chương 1 tác giả trình bày tổng quan hệ thống điện nhà máy Gang
thép Lào Cai, đánh giá tác hại của sóng hài gây ra trên hệ thống điện và gây hại
đến các thiết bị điện của nhà máy.Từ đó có thể thấy mức độ phát sóng hài vào
lưới của Nhà máy Gang thép Lào Cai là khá mạnh, vì vậy rất cần có thiết bị lọc
sóng hài để giảm ảnh hưởng đến lưới điện cung cấp cho Nhà máy. Ngoài ra,
các loại phụ tải của Nhà máy cũng tiêu thụ lượng công suất phản kháng khá
lớn, ảnh hưởng đến hệ số công suất của Nhà máy nên nếu kết hợp được vấn đề
lọc sóng hài với bù cơng suất phản kháng thì hiệu quả càng cao. Luận văn đặt
vấn đề thiết kế bộ lọc đảm bảo độ méo dạng sóng hài tổng < 3% và có kết hợp
bù công suất phản kháng.

CHƯƠNG 2

14
SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI
2.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công
nghiệp ngày càng đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, kéo theo
đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ
thống cung cấp điện.
Ta biết rằng, các nguồn điện thông thường phát lên lưới điện điện áp
xoay chiều ba pha tần số 50 Hz hoặc 60 Hz và có dạng hình sin, về lý thuyết,
nếu phụ tải của hệ thống điện là tuyến tính và đối xứng thì dịng điện của lưới
điện cũng là hình sin, đây đây là trường hợp lý tưởng. Tuy nhiên trong thực tế,
do một số nguyên nhân: Sự cố đường dây, các phụ tải như: tải lò nung, tải bể
điện phân, tải bể mạ, bộ biến đổi tần số, … làm cho dòng điện trong hệ thống
cung cấp điện khơng cịn có dạng hình sin. Phân tích dịng điện khơng sin do
các phụ tải trên gây ra sẽ được một thành phần hình sin tần số bằng tần số điện
áp phát ra của các máy phát, được gọi là điều hịa (sóng hài) bậc nhất hay sóng
hài cơ bản của dịng điện, và một tổng vơ hạn các thành phần hình sin có tần số
bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản, được gọi chung là sóng điều hịa (sóng
hài) bậc cao.
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 làm giảm
chất lượng điện năng: quá áp, méo điện áp lưới, tăng tổn thất công suất trong
quá trình truyền tải điện năng; ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của các
phụ tải.
Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao của
dòng điện ra khỏi hệ thống điện. Các thiết bị được sử dụng để loại bỏ sóng
điều hịa bậc cao gọi là các bộ lọc.
Hiện nay, 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. Thiết bị lọc được thiết kế
hoạt động trong mạng điện hạ áp, ngay gần khu vực của một hoặc một nhóm
tải phi tuyến gây ra sóng hài (tùy theo cơng suất của tải và điều kiện thực tế).


15
2.2. 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 khơng cịn dạng sin.

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

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

a)
100

50

0

-50

-100
0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

b)
Hình 2.1. a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo(sóng
chu kỳ khơng sin)
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng điều hịa bậc cao ta sử dụng
phép phân tích Fourier. Ví dụ có một đại lượng x(t) biến thiên mang tính chất
chu kỳ nhưng khơng hình sin, với chu kỳ là T. Thực hiện phép phân tích chuỗi
Fourier đại lượng x(t) có chu kỳ là T (đơn vị là s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz)
hoặc ω = 2πf (rad/s), nhận được biểu thức sau:
𝑥(𝑡) =

𝑋0
2

trong đó:

+ ∑∞
𝑛=1 𝑋𝑛 . cos(𝑛𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 )

(2.1)


16
𝑋0
2

: Giá trị trung bình

Xn: Biên độ của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier
𝑋1 sin(𝜔𝑡 + 𝜃1 ): Thành phần sóng cơ bản
𝑋𝑛 sin(𝑛𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 ): Thành phần sóng cơ bản
𝜃𝑛 : Góc pha của sóng điều hịa bậc n
Trên hình 2.2 biểu diễn một số thành phần sóng hài của x(t).
Cũng có thể biểu diễn:
𝑋𝑛 sin(𝑛𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 ) = 𝑋𝑛 (sin nωt. cosθn + sin θn . cosnωt) (2.2)
Khi đặt: 𝑋𝑛 cos(𝜃𝑛 ) = 𝑎𝑛 và 𝑋𝑛 sin(𝜃𝑛 ) = 𝑏𝑛
Khi đó ta có thể viết:
𝑥(𝜔𝑡) =
1.5
1

𝑎0
2

∞
+ ∑∞

𝑛=1 𝑎𝑛 . cos𝑛𝜔𝑡 + ∑𝑛=1 𝑏𝑛 . sin𝑛𝜔𝑡

(2.3)

x(t)
Thành phần cơ bản
Thành phần bậc 5

0.5
0
-0.5

Thành phần bậc 7

-1
-1.5
Hình 2.2. Các thành phần sóng điều hịa
Dựa vào kết quả phân tích chuỗi Fourier có thể đưa ra hệ số méo sóng
hài tổng (THD - Total Harmonic Distortion), đây là tham số quan trọng nhất
dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao.


THD 

 X n2
n2

X1

(2.4)