Tài liệu Nghiên cứu lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện năng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN ĐÌNH GIẢNG

NGHIÊN CỨU LỌC SĨNG HÀI NHẰM NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG DANH HOẰNG

Thái Nguyên - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tên tơi là: Nguyễn Đình Giảng
Sinh ngày: 26 tháng 3 năm 1976
Học viên lớp cao học khoá 20 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật
Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Cơng ty điện lực Bắc Kạn.
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 hồn tồn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Giảng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




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 cơng tác sau này.
Học viên

Nguyễn Đình Giảng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... viii
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 LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ BẮC KẠN VÀ PHỤ
TẢI PHÁT SINH SÓNG HÀI ..................................................................................3
1.1. Tổng quan lưới điện thành phố Bắc Kạn .............................................................3
1.1.1. Lưới điện trung thế ............................................................................................4
1.1.2. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Bắc Kạn trong một vài năm
gần đây ........................................................................................................................7
1.2.3. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính tốn .......................................................8
1.2. Sự phát sinh sóng điều hịa bậc cao (sóng hài) trong hệ thống cung cấp điện.....9
1.2.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hịa bậc cao ...............................................9
1.2.2. Một số nguyên nhân cơ bản phát sinh sóng điều hòa bậc cao .......................16
1.3. Kết luận chương 1 ..............................................................................................23
Chương 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC
TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SĨNG HÀI VÀ BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG .......25

2.1. Tổng quan bộ lọc sóng điều hịa bậc cao ...........................................................25
2.1.1 Bộ lọc thụ động ................................................................................................25
2.1.2. Bộ lọc chủ động (bộ lọc tích cực) .................................................................27
2.2. Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực ........................................28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




2.2.1. Phân loại theo sơ đồ nguyên lý .......................................................................28
2.2.2. Phân loại theo nguồn cung cấp điện................................................................32
2.2.3. Phân loại theo bộ biến đổi công suất...............................................................34
2.3 Bộ lọc hỗn hợp ....................................................................................................35
2.4. Nguyên lý làm việc của thiết bị bù tích cực .......................................................37
2.5. Các thuật tốn lọc tích cực .................................................................................39
2.5.1 Các thuật tốn lọc tích cực dựa trên miền tần số .............................................39
2.5.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian ..................................41
2.6. Xây dựng cấu trúc điều khiển ............................................................................47
2.7. Kết luận chương 2 ..............................................................................................50
Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ..........51
3.1. Xây dựng mơ hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink..............................51
3.1.1. Khối nguồn xoay chiều 3 pha..........................................................................51
3.1.2. Khối tải phi tuyến ............................................................................................52
3.1.2. Khối bộ lọc tích cực ........................................................................................52
3.1.3. Khâu tính tốn độ méo dạng (THD) ...............................................................59
3.1.4. Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dịng điện và điện áp ba pha...................60
3.1.5. Khâu đo dòng điện, điện áp.............................................................................60
3.2. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................................60
3.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống ..........................................62
3.3.1. Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực ..................................62

3.3.2. Kết quả mơ phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực ........................................64
3.3.3. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống .......................................................70
3.4. Kết luận chương 3 ..............................................................................................71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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

Cơng suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần
dòng xoay chiều

31
32

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Mang tải của đường dây trung thế sau trạm 110kV Bắc Kạn ...................6
Bảng 1.2. Tổn thất điện năng qua các năm của thành phố Bắc Kạn ...........................7
Bảng 1.3. Kết quả công suất các lộ trung thế ..............................................................8
Bảng 1.4. Tổn thất điện năng kỹ thuật qua các năm của TP Bắc Kạn ........................9
Bảng 1.5. Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp ................................15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ kết dây cơ bản lưới điện Thành phố Bắc Kạn ..................................3
Hình 1.2: Trạm 110KV Bắc Kạn ................................................................................5
Hình 1.3: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ khơng sin) .....10
Hình 1.4: Các thành phần sóng điều hịa ..................................................................11
Hình 1.5: Phân tích Fn thành an và bn ........................................................................12
Hình 1.6: Phổ của các thành phần điều hịa ..............................................................13
Hình 1.7: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha khơng điều khiển ........................17
Hình 1.8: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1
pha khơng điều khiển .............................................................................17
Hình 1.9: Dạng dịng điện phía nguồn và phổ tần ....................................................18

Hình 1.10: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha khơng điều khiển ......................18
Hình 1.11: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 3
pha khơng điều khiển .............................................................................19
Hình 1.12: Dạng dịng điện phía nguồn và phổ tần .................................................19
Hình 1.13: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp qua
bộ điều khiển PI .....................................................................................20
Hình 1.14: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu
Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp .......................................................20
Hình 1.15: Dạng dịng điện phía nguồn và phổ tần .................................................21
Hình 1.16: Mơ hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển PWM ................21
Hình 1.17: Dịng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu
Thyristor 3 pha điều khiển PWM ..........................................................22
Hình 1.18: Dạng dịng điện pha A phía nguồn và phổ tần .......................................22
Hình 2.1: Bộ lọc RC – các tụ mắc hình sao .............................................................26
Hình 2.2: Bộ lọc LC - các tụ mắc hình sao ...............................................................26
Hình 2.3: Bộ lọc tích cực song song .........................................................................29
Hình 2.4: Cấu trúc bộ lọc song song .........................................................................30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 2.5: Bộ lọc tích cực nối tiếp ............................................................................31
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý làm việc của AFS............................................................32
Hình 2.7: Bộ lọc tích cực 3 dây.................................................................................33
Hình 2.8: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa ..........................................................34
Hình 2.9: Bộ lọc tích cực 4 dây................................................................................34
Hình 2.10: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn áp VSI ......................................35
Hình 2.11: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn dịng CSI ..................................35
Hình 2.12: Cấu trúc bộ lọc hỗn hợp với bộ lọc tích cực có 2 loại: a) song song

và b) nối tiếp ..........................................................................................36
Hình 2.13: Ngun lý bù cơng suất phản kháng của bộ bù tích cực .........................37
Hình 2.14: Trạng thái hấp thụ cơng suất của bộ lọc tích cực ....................................38
Hình 2.15: Trạng thái phát cơng suất phản kháng của bộ lọc ...................................39
Hình 2.16: Phương pháp FFT ...................................................................................41
Hình 2.17: Thuật tốn xác định dịng bù trong hệ dq ...............................................42
Hình 2.18: Thuật tốn lựa chọn sóng điều hịa cần bù trong hệ dq .........................43
Hình 2.19: Mơ hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q pq. .......................................45
Hình 2.20: Lưu đồ thuật tốn tính dịng bù theo lý thuyết p-q................................48
Hình 2.21: Cấu trúc điều khiển hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực ..........................49
Hình 3.1: Khối nguồn ba pha ...................................................................................51
Hình 3.2: Khối tải phi tuyến ......................................................................................52
Hình 3.3: Bộ biến đổi và thơng số của bộ biến đổi ...................................................53
Hình 3.4: Mạch điều khiển của bộ lọc ......................................................................54
Hình 3.5: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ ..................................................................55
Hình 3.6: Khâu tính bù cơng suất PQ ......................................................................56
Hình 3.7: Khâu tính tốn dịng bù pq ........................................................................57
Hình 3.8: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc ..............................................................57
Hình 3.9: Khối SVM .................................................................................................58
Hình 3.10: Chọn các véc tơ .......................................................................................59
Hình 3.11: Khâu tính tốn TDH và thơng số của TDH ............................................59
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.12: Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu dịng áp ................................................60
Hình 3.13: Khâu đo dịng điện, điện áp ....................................................................60
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 ..........................................................61

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 ...................................................................62
Hình 3.16: Dạng dịng điện nguồn ............................................................................63
Hình 3.17: Phân tích phổ và THD của dịng điện nguồn ..........................................63
Hình 3.18: Dạng dịng điện 3 pha trước khi bộ lọc tác động ...................................65
Hình 3.19: Dạng dịng điện 3 pha khi có bộ lọc tác động ........................................66
Hình 3.20: Dạng dòng điện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác động ..................67
Hình 3.21: Dạng dịng điện khi có bộ lọc tác động xét tại thời điểm từ 0,3 đến 0,4s ....67
Hình 3.22: Phân tích phổ của dịng điện pha A khi có bộ lọc tác động ...................68
Hình 3.23: Cơng suất phản kháng của hệ thống .......................................................68
Hình 3.24: Hệ số cơng suất cosφ..............................................................................69
Hình 3.25: Các đặc tính dịng điện, cosphi, cơng suất phản kháng, cơng suất
biểu kiến, điện áp Ud của hệ thống ........................................................69
Hình 3.26: Phân tích phần trăm phổ dịng điên nguồn pha A khi có bộ lọc .............70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện năng".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về hệ thống lưới điện phân phối cung cấp điện cho thành phố Bắc
Kạn của tỉnh Bắc Kạn.
- 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
cơng 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:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 1: Tổng quan lưới điện thành phố Bắc Kạn và phụ tải phát sinh sóng hài.
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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Chương 1
TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ BẮC KẠN VÀ PHỤ TẢI
PHÁT SINH SÓNG HÀI
1.1. Tổng quan lưới điện thành phố Bắc Kạn
Trạm 110kV-E26.1 Bắc Kạn đặt tại phường Nguyễn Thị Minh Khai – thành
phố Bắc Kạn với qui mô công suất 1x25 MVA-115/38,5/23kV & 1x25 MVA115/38,5/11kV. Trạm được cấp điện từ 2 nguồn: từ trạm 220kV Cao Bằng qua
tuyến đường dây 110kV- lộ 171 và lộ 173 – E26.1 kết nối với lộ 172 – E6.6 từ trạm
110kV Phú Lương. Hiện tại trạm là nguồn chính cấp cho thành phố Bắc Kạn qua
các đường dây 35kV, 22kV. Phía 35kV của trạm gồm 6 lộ (371, 372, 373, 374, 376
và 378), trong đó lộ đường dây 372 cấp điện cho phụ tải một phần cho khu vực
thành phố Bắc Kạn và một phần cho huyện Bạch Thông. Lộ đường dây 373 cấp
điện cho phụ tải một phần khu vực thành phố Bắc Kạn và cho toàn huyện Chợ Mới,
huyện Na Rì. Lộ đường dây 374 cấp điện cho phụ tải một phần khu vực thành phố
Bắc Kạn và cho toàn huyện Chợ Mới.
Phía 22kV có 6 lộ (471, 472 và 474), các lộ đường dây 22kV cấp điện cho phụ
tải một phần cho khu vực thành phố Bắc Kạn.

Hình 1.1: Sơ đồ kết dây cơ bản lưới điện Thành phố Bắc Kạn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




1.1.1. Lưới điện trung thế
- Tổng đường dây trung thế: 197,584 km.
- Đường dây 35kV: 142,355 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 134,51 km.

+ Tài sản khách hàng: 7,845 km.
- Đường dây 22kV: 56,775 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 48,488 km.
+ Tài sản khách hàng: 8,287 km.
- Cáp ngầm 35kV: 1,575 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 1,575 km.
+ Tài sản khách hàng: 0 km.
- Cáp ngầm 22kV: 23,128 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 21,585 km.
+ Tài sản khách hàng: 1,543 km.
- Trạm biến áp: Tổng số: 217 TBA/ 217 Máy; S = 49.871 kVA.
- Trạm 35/0.4kV: 80 trạm/ 80 máy. S =13.564,5 kVA.
Trong đó
+ Tài sản của Điện lực: 53 trạm/ 53 máy. S = 5.364,5 kVA.
+ Tài sản khách hàng: 27 trạm/ 27 máy. S = 8.200 kVA.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




- Trạm 22/0.4kV: 137 trạm/ 137 máy. S = 36.306,5 kVA.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 87 trạm/ 87 máy. S = 19.945 kVA.
+ Tài sản khách hàng:

50 trạm/ 50 máy. S = 15.126,5 kVA .

- Tổng chiều dài đường dây 0.4kV: 220,8 km.
- Tổng số khách hàng: 18.593 Khách hàng.
Thống kê tình trạng mang tải của các đường dây trung thế khu vực thành phố
Bắc Kạn như sau:

Hình 1.2: Trạm 110KV Bắc Kạn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Bảng 1.1. Mang tải của đường dây trung thế sau trạm 110kV Bắc Kạn

TT

I
1

Tên trạm 110kV

Trạm Bắc Kạn (E26.1)
Lộ 371

2

Lộ 372

3

Lộ 373

4

Lộ 374

5

Lộ 376

6

Lộ 378

7

Lộ 471

8

Lộ 472

9

Lộ 474

Loại dây - tiết
diện
Chiều dài trục
(km)

AC-120, 95, 70,
50
692,41
AC-120, 70, 50
50,87
AC-95, 70, 50
495,384+1,575
AC-120, 70, 50
48,582
AC-120, 95, 70,
50
18,87
AC-120
3,58
ASXV 120;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC70, 50
6,494+4,704
ASXV 120, 95;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC120, 95, 70, 50
15,958+4,891
ASXV 120, 95;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC120, 70, 50
11,194+13,532

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

Pmax (kW)

Pmin (kW)

6.830
3.995
2.577
0
10.309
1.418
10.567
3.350
7.345
3.608
0
0

2.591
1.981

6.859
3.506

5.640
4.725



1.1.2. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Bắc Kạn trong một vài năm
gần đây
Theo thống kê, tổn thất điện năng của tỉnh từ năm 2015 đến nay thay đổi khác
nhau qua các năm tuỳ theo phương thức vận hành và sự phát triển của lưới điện

35kV,22kV. Công ty Điện lực Bắc Kạn đã áp dụng nhiều biện pháp để giảm tổn
thất điện năng như:
- Tính tốn lựa chọn phương thức vận hành và điều độ tối ưu để đạt được mức
tổn thất thấp nhất.
- Cải tạo nâng tiết diện các đường dây trung thế đã cũ nát, tiết diện nhỏ, xây
dựng các đường dây trung thế mới có tiết diện lớn nhằm san tải cho các tuyến dây
quá tải.
- Cải tạo chuyển đổi dần lưới điện 10kV lên 22kV.
- Tính tốn và thực hiện việc bù cơng suất phản kháng bằng các bộ tụ bù trên
lưới 0,4kV; 22kV; 35kV, yêu cầu tất cả các khách hàng có trạm chuyên dùng thực
hiện các biện pháp bù hạ thế để đảm bảo cos  > 0,9.
- Kiểm tra tình hình sử dụng điện của khách hàng để tránh các hiện tượng lấy
cắp điện, kiểm định thay thế công tơ định kì, thay thế cơng tơ cơ khí bằng cơng tơ
điện tử, kiểm tra và cân pha cho các đường dây hạ thế (Điện lực quản lí).
- Lắp đặt trạm biến áp với cơng suất hợp lí, hốn chuyển vị trí lắp đặt giữa các
MBA quá tải với các MBA đang non tải.
- Đã hoàn thành bàn giao lưới điện trung áp nông thôn cho ngành điện theo kế
hoạch của Bộ công thương.
Bảng 1.2. Tổn thất điện năng qua các năm của thành phố Bắc Kạn
Năm

2015

2016

2017

2018

Tổn thất Thành Phố

4,49%

4,15%

4,83%

4,31%

Bắc Kạn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




1.2.3. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính tốn
Tính tốn phân bố cơng suất và tổn thất cho lưới điện trung thế
Mục đích của việc tính tốn lưới điện hiện trạng là xác định phân bố công suất
và tổn thất về kĩ thuật trong lưới điện, kiểm tra khả năng mang tải cũng như các chỉ
tiêu kĩ thuật khác.
Để thực hiện cơng việc tính tốn này cần phải tiến hành:
- Cập nhật chi tiết sơ đồ lưới điện hiện trạng, các thông số kỹ thuật của lưới
điện và phương thức vận hành của chúng.
- Công suất cực đại cực tiểu của các lộ xuất tuyến trung thế.
- Công suất cực đại tại thanh cái cao thế các trạm trung tâm cấp nguồn.
- Tính tốn lưới điện hiện trạng được thực hiện toàn hệ thống ở chế độ phụ tải
cực đại để kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật và khả năng mang tải của lưới.
Bảng 1.3. Kết quả công suất các lộ trung thế
TT

Tên trạm / tên lộ

Điện áp

Pmax

Tổn thất

(kV)

(kW)

công suất điện năng điện áp
(%)

I

Tổn thất
(%)

Tổn thất
(%)

Trạm 110 kV Bắc
Kạn

1

Lộ 371

35

6.830

2

Lộ 372

35

2.577

3

Lộ 373

35

10.309

4

Lộ 374

35

10.567

5

Lộ 376

35

7.345

6

Lộ 378

35

0

7

Lộ 471

22

2.591

8

Lộ 472

22

6.859

9

Lộ 474

22

5.640

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




Bảng 1.4. Tổn thất điện năng kỹ thuật qua các năm của TP Bắc Kạn
Năm

2015

2016

2017

2018

Tổn thất Thành Phố

3,26%

3,4%

3,5%

3,6%

Bắc Kạn
Từ kết quả tính tốn chế độ lưới điện phân phối trung thế và hạ thế cho thấy
các trị số tính tốn tổn thất kĩ thuật là tương đối phù hợp với các trị số thống kê từ
thực tế vận hành và phản ánh tương đối sát thực tình trạng vận hành hiện tại của
lưới điện thành phố Bắc Kạn.
1.2. Sự phát sinh sóng điều hịa bậc cao (sóng hài) trong hệ thống cung cấp điện
1.2.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hịa 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

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.
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 cho lưới cung cấp và phân phối điện đến
phụ tải.
1.2.1.1. 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 [10, 11].

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 1.3: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ khơng sin)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




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 không:
- 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 không 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 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
1
0.5

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

0
-0.5

Thành phần bậc 7

-1
-1.5

Hình 1.4: Các thành phần sóng điều hịa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

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 không sin f(t) theo Fourier như biểu
thức sau:
(2.1)
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:
(2.2)
Ta quy ước:
Khi đó ta có thể viết như sau:
(2.3)

Im

Re
Hình 1.5: Phân tích Fn thành an và bn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

0
-1000
-2000

0.2

0.205

0.21

0.215

Timeđược
(s) thể hiện như sau [2, 5]:
Ví dụ phổ của sóng điều hịa bậc cao
Fundamental (50Hz) = 1205 , THD= 8.40%

Mag (% of Fundamental)

8

6

4

2

0

0

5

10
Harmonic order

15

20

Hình 1.6: 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

X1

(2.4)

X1: Biên độ thành phần cơ bản
Xn: Biên độ thành phần điều hịa 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:
 Hệ số méo dạng dòng điện:


THD 
Trong đó:

 I n2
n2

I1

(2.5)

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




 Hệ số méo dạng điện áp:


THD 
Trong đó:

U n2
n2

(2.6)

U1

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

1.2.1.2. Ảnh hưởng của sóng điều hịa bậc cao và quy định giới hạn thành
phần sóng điều hịa bậc cao 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:

=

(2.7)

=

(2.8)

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dịng điện tăng
do sóng điều hịa 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 hịa bậc
cao lênn một số thiết bị như sau:
 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 quá 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, …
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN