(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ HỒNG LAN KH

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG
BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 5 2 0 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ HỒNG LAN KH

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG
BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VÕ HỒNG LAN KH

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG
BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS TRẦN THU HÀ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ và tên: Võ Hồng Lan Kh

Giới tính: Nữ.

Ngày, tháng, năm sinh: 24/09/1982

Nơi sinh: Kon Tum.

Quê quán: TP. Huế - Thừa Thiên Huế

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: B711, CC. An Bình, P. An Bình, TX. Dĩ An,
Bình Dương.
Điện thoại: 0987250939.

E-mail:

II. Q TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: chính quy.

Thời gian đào tạo: 1998 đến 2001.

Nơi học (trường, thành phố): Trường Trung Học Công Nghiệp Huế, T.T Huế
Ngành học: Điện tử.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: chính quy.

Thời gian đào tạo: 2003 đến 2007.

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, TP. HCM.
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử.
Mơn thi tốt nghiệp: PLC, Truyền hình số, Quản lý dự án, Vi Xử lý và giao tiếp
với máy tính.
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC.
Thời gian

09/2007 - 2012

09/2014 - nay

Nơi công tác
Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao
Thắng – TP. Hồ Chí Minh.
Trường Cao đẳng Cơng Nghệ Thủ
Đức – TP. Hồ Chí Minh.

Trang i

Cơng việc đảm nhiệm
Giảng viên.

Giảng viên.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2016
Người cam đoan

Võ Hoàng Lan Khuê

Trang ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn cơ PGS.TS. Trần Thu Hà đã tận tình hướng dẫn
tơi hồn thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn q thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
và Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy tôi trong suốt hai năm học.
Xin cám ơn các anh chị học viên cùng lớp đã giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm
và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình đã động viên tơi trong suốt
q trình học tập.

Trang iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÓM TẮT
Với sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại, các tải phi tuyến như động
cơ, các thiết bị điện tử ( biến tần, bộ chỉnh lưu và chuyển mạch công suất) được sử
dụng rộng rãi. Các tải phi tuyến hoạt động tạo ra các sóng hài trên lưới điện và dẫn
đến dạng sóng dịng điện và điện áp nguồn cung cấp bị biến dạng và chất lượng
điện năng giảm.
Sóng hài làm tăng nhiệt độ hệ thống, giảm công suất và gây nhiễu lên lưới
điện. Bộ lọc thụ động có thể được sử dụng để giảm sóng hài, cải thiện chất lượng
điện năng, nhưng đây là những giải pháp tốn kém, cồng kềnh và chỉ sử dụng cho tải
khơng đổi. Những vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các bộ lọc

tích cực. Có hai loại bộ lọc được sử dụng, bộ lọc tích cực nối tiếp và song song. Bộ
lọc tích cực nối tiếp sử dụng để triệt tiêu điện áp hài, cịn bộ lọc tích cực song song
để triệt tiêu dịng điện hài.
Luận văn này nghiên cứu bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây, lọc sóng
hài do tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây ra. Sơ đồ điều khiển bộ lọc đề xuất
thuật toán điều khiển dịng điện trực tiếp, có khâu điều khiển trượt. Sơ đồ mạch điện
được mô phỏng trên phần mềm MATLAB-SIMULINK. THD của dòng điện nguồn
được giảm từ 26,80% xuống còn 2,30%. Kết quả chỉ ra rằng bộ lọc tích cực thiết kế
làm giảm đáng kể lượng sóng địng điện, hoạt động đáp ứng yêu cầu đề ra.

Trang iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

ABSTRACT
With the growing and development of modern industry, a various nonlinear
and time-varying electronic devices such as inverters, rectifiers, and switching
power supplies are widely utilized. These solid-state converters inject harmonics
into the power lines and result in serious distortion in the supply current and voltage
and decrease the power quality.
Harmonics increase the conduction losses, eddy current losses and also have
bad impacts on other loads connected to the same voltage source. Passive filters can
be used to improve the power quality, but these are expensive and bulky solutions.
These problems can be overcome by use of active power filter (APF). Two types of
APFs exist; shunt APFs and series APFs. Shunt APFs are used to compensate
current harmonics, while series APFs are used to compensate the voltage harmonics
caused by nonlinear loads.
This thesis presents a three-phase three-wire shunt active filter configuration.
The proposed scheme implements simplified control algorithms depending on the

direct current control (DCC) techniques for designing trajectories in sliding mode
control based shunt active power filter (SAPF). The performances of the AF
were verified through a simulation with MATLAB-SIMULINK. The THD of
source current is reduced from 26,80% to 2,30%. The results indicate that proposed
active filter can reduce the current harmonics.

Trang v


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân

i

Lời cam đoan

ii

Lời cảm ơn

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

vi

Danh sách các chữ viết tắt

viii

Danh sách các hình

ix

Danh sách các bảng

xii

Chương 1. TỔNG QUAN

1

1.1 Đặt vấn đề

1

1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan

2

1.3 Mục tiêu đề tài

4

1.4 Giới hạn đề tài

4

1.5 Phương pháp nghiên cứu

5

1.6 Nội dung đề tài

5

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

6

2.1 Sóng hài trong hệ thống điện

6

2.2 Các phương pháp lọc sóng hài

16

2.3 Điều khiển trượt

20

Chương 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG
SONG BA PHA BA DÂY TRÊN MATLAB SIMULINK

25

3.1 Cấu hình bộ lọc ba pha

26

3.2 Kỹ thuật điều khiển cho bộ lọc

27

3.3 Thiết kế mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây

29

3.4 Xây dựng mơ hình mơ phỏng trên matlab simulink

37

Trang vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

44

4.1 Khảo sát hệ thống khi chưa có mạch lọc

45

4.2 Khảo sát hệ thống khi mạch lọc AF đóng điện vào lưới

50

4.3 Khảo sát hệ thống khi mạch lọc tích cực có bộ điều khiển trượt (SMAF) 56
4.4 Đánh giá kết quả mơ phỏng

63

4.5 So sánh với mơ hình của Juntao Fie [4]

64

Chương 5. KẾT LUẬN

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO

69

Trang vii

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
APF

:

Active power filter (bộ lọc tích cực)

AF

:

Active filter (bộ lọc tích cực)

PF

:

Passive filter (bộ lọc thụ động)

CSPK

:

Công suất phản kháng

THD

:

Total Harmonic Distortion (độ méo sóng hài tổng)

TDD

:

Total Demand Distortion (độ méo yêu cầu tổng)

PWM

:

Pulse Width Modulation (điều chế độ rộng xung)

SMC

:

Sliding mode controller (bộ điều khiển chế độ trượt)

RCG

:

Reference current generator (máy phát dịng điện tham chiếu)

REF

:

Reference (tham chiếu)

PLL

:

Phase-locked loop (vịng khóa pha)

Trang viii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Dạng sóng sin và dạng sóng hài

6

Hình 2.2: Hình ảnh minh họa về sóng hài

7

Hình 2.3: Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp

17

Hình 2.4: Nhiều bộ lọc điều chỉnh nối tiếp mắc song song

18

Hình 2.5: Cấu trúc bộ lọc hài tích cực

19

Hình 2.6: Quỹ đạo pha của hệ thống điều khiển trượt

23

Hình 2.7: Dạng sóng hàm sign() và sat()

24

Hình 3.1: Cấu trúc bộ lọc hài tích cực (AF)

25

Hình 3.2: Cấu hình mạch lọc tích cực (AF) ba pha ba dây

26

Hình 3.3: Kỹ thuật điều khiển dịng điện gián tiếp

27

Hình 3.4: Kỹ thuật điều khiển dịng điện trực tiếp

28

Hình 3.5: Sơ đồ khối của bộ lọc tích cực ba pha ba dây

29

Hình 3.6: Kỹ thuật điều khiển tạo xung kích cho các IGBT

31

Hình 3.7: Mạch Hysteresis và Logic chuyển mạch

32

Hình 3.8: Quĩ đạo của bộ điều khiển trượt

35

Hình 3.9: Sơ đồ của bộ lọc tích cực trong Matlab – Simulink

36

Hình 3.10: Mơ hình của mạch nguồn ba pha

37

Hình 3.11: Thơng số cài đặt nguồn ba pha

37

Hình 3.12: Mơ hình tải khơng cân bằng

38

Hình 3.13: Thơng số cài đặt tải khơng cân bằng

38

Hình 3.14: Mơ hình bộ nghịch lưu

39

Hình 3.15: Thơng số cài đặt bộ nghịch lưu

39

Hình 3.16: Bộ tạo xung cho mạch nghịch lưu

40

Hình 3.17: Mạch Hysteresis và Logic chuyển mạch cho các IGBT

41

Hình 3.18: Mạch Hysteresis tạo xung cho các IGBT của SMAF

42

Hình 4.1: Mơ hình hóa mạch lọc tích cực ba pha ba dây trong Matlab/Simulink

44

Trang ix


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 4.2: Dạng sóng điện áp nguồn cung cấp

46

Hình 4.3: THD của điện áp nguồn cung cấp pha a tại t = 0,05s

46

Hình 4.4: Dạng sóng điện áp tải

47

Hình 4.5: THD của điện áp tải pha a tại t = 0,05s

47

Hình 4.6: Dạng sóng dịng điện nguồn khi chưa có mạch lọc AF

48

Hình 4.7: THD của dịng điện nguồn pha a tại t = 0,05s

48

Hình 4.8: Dạng sóng dịng điện tải khi chưa có mạch lọc AF

49

Hình 4.9: THD của dòng điện tải pha a t = 0,05s

49

Hình 4.10: Dạng sóng điện áp bộ lọc lọc AF tại điểm kết nối vào mạng

50

Hình 4.11: Dạng sóng điện áp bộ lọc lọc AF pha a tại điểm kết nối vào mạng

50

Hình 4.12: Dạng sóng dịng điện bộ lọc AF tại điểm kết nối vào mạng

51

Hình 4.13: Dạng sóng dòng điện bộ lọc AF pha a tại điểm kết nối vào mạng

51

Hình 4.14: Dạng sóng của dịng điện tham chiếu pha a của bộ lọc AF

51

Hình 4.15: Dạng sóng của dịng điện nguồn pha a khi có bộ lọc AF

52

Hình 4.16: Sai lệch giữa dịng điện tham chiếu và dịng điện nguồn pha A

52

Hình 4.17: Dạng sóng điện áp của tụ của bộ lọc AF

52

Hình 4.18: Tín hiệu ngõ vào I*F mạch Hysteresis

53

Hình 4.19: Tín hiệu ngõ vào IF mạch Hysteresis

53

Hình 4.20: Sai lệch giữa dịng điện I*F và IF

53

Hình 4.21: Xung kích một pha, ngõ ra mạch Hysteresis

54

Hình 4.22: Ngõ vào và ra mạch Hysteresis

54

Hình 4.23: Dạng sóng dịng điện tải pha a khi có mạch lọc AF

54

Hình 4.24: Dạng sóng dịng điện nguồn pha a khi có mạch lọc AF

54

Hình 4.25: Dạng sóng dịng điện nguồn và tải trên cùng đồ thị

55

Hình 4.26: THD của dịng điện nguồn pha a khi có mạch lọc AF

55

Hình 4.27: Dạng sóng điện áp bộ lọc lọc SMAF tại điểm kết nối vào mạng

56

Hình 4.28: Dạng sóng điện áp bộ lọc lọc SMAF pha a tại điểm kết nối vào mạng 57
Hình 4.29: Dạng sóng dịng điện bộ lọc SMAF tại điểm kết nối vào mạng

57

Hình 4.30: Dạng sóng dịng điện bộ lọc SMAF pha a tại điểm kết nối vào mạng 57

Trang x


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 4.31: Dạng sóng của dịng điện tham chiếu pha a của bộ lọc SMAF

58

Hình 4.32: Dạng sóng của dịng điện nguồn pha a khi có SMAF

58

Hình 4.33: Sai lệch giữa dòng điện tham chiếu và dòng điện nguồn khi có SMAF 58
Hình 4.34: Dạng sóng điện áp của tụ của bộ lọc SMAF

59

Hình 4.35: Tín hiệu ngõ vào I*F mạch Hysteresis của SMAF

59

Hình 4.36: Tín hiệu ngõ vào IF mạch Hysteresis của SMAF

59

Hình 4.37: Sai lệch giữa dịng điện I*F và IF của SMAF

60

Hình 4.38: Xung kích một pha, ngõ ra mạch Hysteresis của SMAF

60

Hình 4.39: Ngõ vào và ra mạch Hysteresis của SMAF

60

Hình 4.40: Dạng sóng dịng điện tải pha a khi có mạch lọc SMAF

61

Hình 4.41: Dạng sóng dịng điện nguồn pha a khi có mạch lọc SMAF

61

Hình 4.42: Dạng sóng dịng điện nguồn và tải khi có mạch lọc SMAF

61

Hình 4.43: THD của dịng điện nguồn pha a khi có mạch lọc SMAF

62

Hình 4.44: THD của dịng điện nguồn pha a của mơ hình Juntao Fie

65

Hình 4.45: THD của dịng điện nguồn pha a của mơ hình đề tài

66

Trang xi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Dạng sóng của một số loại phụ tải phi tuyến

12

Bảng 2.2: Giới hạn độ méo của dòng điện đối với lưới từ 120 V đến 69 KV

13

Bảng 2.3: Giới hạn độ méo của dòng điện đối với lưới từ 69 kV đến 161 kV

13

Bảng 2.4: Giới hạn độ méo của dòng điện đối với lưới điện áp lớn hơn 161kV

14

Bảng 2.5: Qui định về sóng hài của Bộ Cơng Thương

14

Bảng 3.1: Trạng thái đóng ngắt

36

Bảng 4.1: Thơng số cài đặt của mơ hình

45

Bảng 4.2: Thơng số mơ phỏng của hai mơ hình

64

Trang xii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Hệ thống lưới điện có thể bị gây hại bởi nhiều tác nhân, trong đó một nguy cơ
tiềm ẩn làm cản trở hoạt động và làm hao mịn thiết bị nhưng ít người nhận biết được
chính là sóng hài - mối nguy cơ tiềm ẩn được phát hiện ngay đầu thập niên 1890.
Sóng hài là dịng điện khơng mong muốn làm q tải đường dây và biến áp, làm
tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc thậm chí gây hỏa hoạn) và gây nhiễu lên lưới điện. Trong
trường hợp chạy nhiều động cơ cùng lúc, nếu khơng có biện pháp kiểm sốt sóng hài
có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) và làm máy

ngừng chạy (do nguồn bị quá tải). Tác hại của sóng hài với lưới điện khi giá trị hiệu
dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dịng điện tăng do sóng hài sẽ kéo theo
một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng phát nóng
của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy
cơ cháy nổ; làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá
hủy chất điện mơi. Các sóng điều hịa bậc cao cịn có thể làm momen tác động của rơle
biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây
cảnh báo nhầm của các UPS đồng thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn
thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA dẫn đến làm tăng tổn thất điện năng. Ngồi ra, sóng hài
cịn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm
hiệu suất máy, gây tiếng ồn, ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả
đo bị sai lệch. Nguy hại hơn, các sóng điều hịa bậc cao cịn có thể sinh ra momen xoắn
trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí
trong động cơ; làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

đến con người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng
đến thiết bị thu phát sóng.
Nếu phải thay thế thiết bị hư hỏng nguyên nhân gây ra do sóng hài, điều này có
thể làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% và kinh phí vận hành đến 10%. Trong ngành
cơng nghiệp, bảo vệ lợi nhuận là ưu tiên hàng đầu, kiểm sốt được thiết bị và kinh phí
vận hành là nhân tố quan trọng. Muốn đạt được mục tiêu này các doanh nghiệp, tổ
chức cần lưu tâm và làm tốt công tác hạn chế tác hại của sóng hài.
Việc sử dụng các thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, đã và đang được quan
tâm trong những năm gần đây. Một trong các phương pháp lọc sóng hài là sử dụng bộ
lọc tích cực. Điều khiển dịng điện phát ra từ bộ lọc để triệt tiêu dòng điện hài. Do đó

người thực hiện chọn đề tài “Mơ hình hóa và mơ phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây”.
1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan
Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu
đi sâu vào nghiên cứu mơ hình bộ lọc tích cực như bộ lọc tích cực một pha, bộ lọc tích
cực ba pha ba dây, bộ lọc tích cực ba pha bốn dây, các nghiên cứu rất đa dạng, sử dụng
các thuật toán điều khiển hiện đại như điều khiển PID, điều khiển trượt, điều khiển
logic mờ - nơron…. Mỗi đề tài nghiên cứu đều có đặc điểm riêng tương ứng với các
mục đích nghiên cứu và thiết kế, chế tạo.
Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh [1] nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu thép
cảm ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích cực song song (AF)
để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hịa dịng điện bậc cao và bù CSPK cho nguồn lò.
Đặc điểm của lò là loại tải công suất lớn, mức độ phi tuyến mạnh và là gánh nặng cho
nguồn cung cấp về công suất phản kháng (CSPK). Đề tài này đi nghiên cứu sự ảnh
hưởng của lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích
cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng điện bậc cao và bù

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CSPK cho nguồn lò, tác giả sử dụng thuật tốn thuyết cơng suất tức thời p – q làm
thuật tốn điều khiển cho bộ AF. Q trình tính tốn và mơ hình hóa bộ lọc trên phần
mềm matlab/simulink, tác giả nhận thấy với cấu trúc, phương pháp, thuật toán điều
khiển đã lựa chọn cho thấy bộ lọc làm việc rất tốt (về chỉ tiêu chất lượng ổn định tĩnh,
tốc độ và chất lượng đáp ứng quá độ), dịng điện sau khi lọc có độ méo dạng đạt được
tiêu chuẩn cho phép của IEEE std 519 và IEC 1000-3-4, hệ số cơng suất PF có giá trị
xấp xỉ bằng 1 nghĩa là CSPK đã được bộ lọc bù một lượng đáng kể.
Lê Thi Thu Uyên [5] nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhà máy xi măng Tây Ninh có
sử dụng các động cơ cơng suất lớn lên lưới điện, các động cơ cơng suất lớn có tốc độ

thay đổi sinh ra sóng điều hịa bậc cao và làm tổn thất công suất, làm ảnh hưởng đến
các hộ tiêu thụ điện khác. Sóng điều hịa bậc cao sẽ làm méo dạng (THD) dòng điện và
điện áp của hệ thống điện, cần phải có biện pháp lọc để trả lại tín hiệu dịng điện và
điện áp hình sin cho lưới, nâng cao chất lượng điện của hệ thống. tác giả sử dụng thuật
toán điều khiển mờ làm thuật toán điều khiển cho bộ AF.
Võ Tuấn [12] nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung
cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích cực ứng dụng hệ mờ nơron điều khiển bộ lọc
tích cực cho lị nấu thép cảm ứng, nhằm giảm sóng hài do lò thải ra để nâng cao chất
lượng điện năng cho lưới điện. Q trình tính tốn và mơ hình hóa bộ lọc trên phần
mềm matlab/simulink, kết quả cho thấy bộ lọc tích cực đã thiết kế làm việc rất tốt,
dịng điện sau khi lọc có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho phép của IEEE std
519 và IEC 1000-3-4. Qua quá tình thiết kế và sử dụng hệ mờ nơron cho thấy phương
pháp này rất khả quan.
J. Fei [4] đã nghiên cứu bộ lọc tích cực ba pha điều khiển dòng điện gián tiếp áp
dụng phương pháp điều khiển trượt. Trong đề tài này, phương pháp điều khiển trượt
mới được thiết kế để thực hiện giám sát dòng điện tham chiếu trong điều khiển dòng
gián tiếp. Ưu điểm của việc sử dụng bộ điều khiển trượt mới cho bộ lọc tích cực song

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

song với kỹ thuật dòng điện gián tiếp là nó khơng cần bộ phận phát hiện sóng hài. Bộ
lọc tích cực được thiết kế có hiệu quả triệt tiêu sóng hài tốt và giảm nhỏ sóng hài trong
dãi rộng của dòng điện tải của tải phi tuyến khác nhau.
Farid Hamoudi [2] đã nghiên cứu bộ lọc tích cực ba pha bốn dây áp dụng phương
pháp điều khiển trượt. Mục đích cải thiện dạng sóng dịng điện pha, giảm dịng điện
trung tính hiện tại, bù cơng suất phản kháng trong hệ thống phân phối.
1.3 Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu các phương pháp lọc sóng hài do tải phi tuyến sinh ra, các thuật tốn
điều khiển bộ lọc tích cực. Từ đó, luận văn thiết kế bộ lọc tích cực song song ba pha ba
dây, lọc sóng hài do tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây ra. Đề xuất thuật tốn điều
khiển dịng điện trực tiếp cho bộ lọc, có khâu điều khiển trượt, làm giảm lượng sóng
hài do tải phi tuyến gây ra trên lưới. Đề tài có so sánh với mơ hình của tác giả Juntao
Fie [4].
1.4 Giới hạn đề tài
Với mục tiêu đề tài đã nêu, luận văn được giới hạn nghiên cứu những thành phần
sau đây:
 Tìm hiểu về các thành phần gây ra sóng hài.
 Nghiên cứu các phương pháp lọc sóng hài.
 Tìm hiểu phương pháp điều khiển trượt.
 Thiết kế bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây.
 Mô phỏng và đánh giá kết quả.

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
 Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, luận văn, bài báo trong
và ngồi nước.
 Tính tốn lý thuyết.
 Thiết kế mơ hình và mơ phỏng trên phần mềm Matlab Simulink (Matlab
2013B).
 Đánh giá kết quả, chất lượng hệ thống và hiệu chỉnh.
1.6 Nội dung đề tài
Nội dung của đề tài gồm 5 chương:
Chƣơng 1: Tổng quan

Giới thiệu tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các cơng trình nghiên cứu liên quan, và
đề xuất hướng nghiên cứu.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu tổng quan về lý thuyết liên quan đến đề tài: Sóng hài, qui định về sóng hài,
các biện pháp lọc sóng hài, phương pháp điều khiển trượt.
Chƣơng 3: Xây dựng mơ hình mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây trên
matlab simulink
Xây dựng thuật toán điều khiển của bộ lọc, từ đó thiết kế và xây dựng mơ hình trên
phần mềm Matlab Simulink.
Chƣơng 4: Mơ phỏng và đánh giá kết quả
Chạy mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng.
Chƣơng 5: Kết luận.
Kết luận, đánh giá điểm đạt được và tồn tại. Đưa ra hướng phát triển.

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Sóng hài trong hệ thống điện
2.1.1 Sóng hài là gì?
Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện,
trạm điện lớn thì rất 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 sin.
Sóng hài là một dạng nhiễu khơng mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất
lượng điện năng, cần được chú ý khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ cho phép.

Hình 2.1: Dạng sóng sin (a) và dạng sóng hài (b).
Sóng hài là các điện áp hay dịng điện hình sin có tần số là bội số của tần số công
nghiệp (tần số cơ bản), do hiện diện của các tải phi tuyến trong lưới điện.
Ví dụ dịng điện hài có tần số 250Hz trên lưới điện 50Hz là sóng hài bậc 5.

Trang 6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.2: Hình ảnh minh họa về sóng hài
2.1.2 Tác hại của sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ cũng có
thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới
sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp
có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu
sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data
network) và thiết bị đo cho kết quả sai.
2.1.2.1. Máy biến áp
Ảnh hưởng của các sóng hài trên các máy biến áp là các dịng điều hồ gây nên
sự gia tăng tổn thất đồng và tổn thất từ thơng tản, các sóng hài gây nên sự gia tăng tổn
thất sắt. Ảnh hưởng toàn bộ là sự gia tăng nhiệt độ máy biến áp. Theo tiêu chuẩn IEEE
C57.15.00-1980 giá trị giới hạn đối với sóng hài dòng điện trong máy biến áp là 0,5pu
đối với hệ số điều hồ dịng điện. Tiêu chuẩn này cũng yêu cầu trị số quá điện áp hiệu

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

dụng cực đại mà máy biến áp có thể chịu đựng ở trạng thái xác lập 5% khi tải định mức
và 10% khi không tải.
Điều cần lưu ý là các tổn thất máy biến áp bị gây nên bởi cả các điện áp điều
hồ và các dịng điện điều hoà là phụ thuộc vào tần số. Các tổn thất gia tăng cùng với
sự gia tăng tần số do vậy các thành phần điều hoà tần số cao hơn là quan trọng hơn các
thành phần tần số thấp hơn trong việc gây nên sự nóng trong các máy biến áp.
2.1.2.2 Các máy điện quay
Cũng như các thiết bị khác vấn đề quan tâm trước tiên về các dòng điện và điện
áp điều hoà trong máy điện quay là sự tăng nhiệt độ do các tổn thất sắt và tổn thất đồng
tại các tần số điều hoà. Các thành phần điều hồ cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất
máy và mômen. Sự tác động khác nhau giữa các sóng và mật độ từ thơng được phát ra
bởi các dịng điện điều hồ trong một động cơ cảm ứng 3 pha trên một điện áp cung
cấp khơng sin có thể làm phát sinh tiếng ồn. Các sóng hài cũng sinh ra sự phân bố từ
thông tổng hợp trong khe hở khơng khí mà trong các điều kiện cụ thể có thể đưa tới
hiện tượng được gọi là Cogging (từ chối khởi động) hay Crauling (tốc độ dưới đồng
bộ) trong các mơtơ cảm ứng.
Các cặp sóng hài chẳng hạn các sóng hài bậc 5 và bậc 7 có thể tạo ra các dao
động cơ khí gia tăng trong một tổ hợp máy phát – turbin. Các dao động cơ khí xảy ra
khi các mômen xoắn dao động gây ra bởi sự tác động lẫn nhau giữa các dòng điện điều
hòa và từ trường tần số cơ bản kích thích 1 tần số cộng hưởng cơ khí. Chẳng hạn, một
cặp điều hòa bậc 5 và bậc 7 đưa đến kết quả 1 sự kích thích có tính xoắn trên roto máy
phát tại điều hòa bậc 6 là 300Hz. Nếu cặp tần số dao động cơ khí tồn tại gần với tần
số kích thích điện thì các đáp ứng cơ khí cộng hưởng cao có thể bị phát triển. Mặc dù,
khơng có các tiêu chuẩn về các giới hạn dòng điện hay điện áp điều hòa cho các động
cơ, một số nhà thiết kế đề xuất 1 giới hạn là 5% cho các điện áp điều hòa để dùng cho
các động cơ cảm ứng trong việc xem xét sự gia nhiệt trong máy điện.

Trang 8

LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.1.2.3 Các thiết bị đóng ngắt
Cũng như hầu hết các thiết bị khác, các dòng điện điều hịa có thể làm gia tăng
nhiệt và các tổn thất trong các thiết bị đóng ngắt. Ngồi các ảnh hưởng của việc tăng
nhiệt, các thành phần điều hịa trong sóng dịng có thể ảnh hưởng đến khả năng cắt
dịng của các thiết bị đóng ngắt. Vấn đề là các thành phần điều hịa có thể đưa đến việc
biên độ của di/dt cao tại các điểm khơng dịng điện có thể làm cho việc cắt trở nên khó
khăn hơn.
Các máy cắt khơng cắt được các dịng điện do việc các cuộn cắt khơng có khả
năng vận hành thích hợp trong các điều kiện hiện diện các sóng hài khắc nghiệt. Khi
cuộn cắt hỗ trợ trong việc chuyển động của hồ quang điện đến điểm dốc xuống của
hồ quang nơi việc cắt thực hiện, việc vận hành không hiệu quả làm kéo dài hồ quang
và hậu quả cuối cùng là hỏng máy cắt. Các vấn đề tương tự có thể hiện hữu trong các
thiết bị đóng cắt dịng điện khác.
Khơng có tiêu chuẩn xác định được công bố trong công nghiệp về mức của các
dịng điện mà các thiết bị đóng cắt dịng điện u cầu để cắt. Tất cả các thí nghiệm về
sự cắt được thực hiện tại tần số định mức của nguồn cung cấp.
2.1.2.4 Các rơle bảo vệ
Các sóng hài hệ thống ảnh hưởng đến các rơle bằng nhiều cách đưa đến việc
rơle có thể tác động sai. Các rơle phụ thuộc vào điện áp, dòng điện do vậy chúng bị ảnh
hưởng một cách hiển nhiên bởi các sự méo điều hòa. Sự hiện diện quá mức của dòng
điều hịa bậc ba có thể gây nên việc các rơle bảo vệ chạm đất tác động chậm. Trong các
tài liệu nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của các sóng hài đối với sự vận hành của các
rơle như sau:
Các rơle được chế tạo có khuynh hướng vận hành ở các giá trị chậm hơn hay với
các giá trị tác động cao hơn, hơn là việc vận hành nhanh hơn hay các giá trị tác động
thấp hơn.

Trang 9

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Các rơle tần số thấp tĩnh nhạy cảm đối với những thay đổi lớn của các đặc tính
vận hành.
Tùy theo nhà sản xuất, các rơle q dịng và quá điện áp được bố trí nhiều loại
thay đổi trong các đặc tính vận hành.
Tùy theo hàm lượng sóng hài, các mơmen quay của các rơle có thể bị đảo
ngược.
Số lần vận hành có thể bị thay đổi lớn như là một hàm số của tần số.
Các sóng hài có thể làm suy yếu sự vận hành tốc độ cao của các rơle so lệch.
Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng các rơle có thể được bố trí để hạn chế hồn tồn
những vấn đề nêu trên. Nói chung các mức điều hòa để làm các rơle vận hành sai lớn
hơn các mức mà được xem xét để hạn chế cho các thiết bị khác. Các mức điều hòa
khoảng 10% - 40% thông thường được yêu cầu đối với các vấn đề vận hành của
rơle, ngoại trừ các tình huống khơng bình thường.
2.1.2.5 Các dụng cụ đo
Đo lường và sự trang bị các dụng cụ bị ảnh hưởng bởi các phần tử điều hòa, đặc
biệt nếu các điều kiện cộng hưởng tồn tại mà điều này đưa đến các điện áp điều hòa
cao trên mạch. Các thiết bị điện cảm ứng như các điện kế và các rơle quá dịng thơng
thường chỉ làm việc với dịng cơ bản, những pha khơng cân bằng gây nên sự méo điều
hịa, gây nên sự sai số của các thiết bị này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả sai số âm
và sai số dương đều có thể xảy ra với sự hiện diện của máy điều hòa tùy theo loại của
đồng hồ được xem xét và các sóng hài. Nói chung độ làm méo phải là lớn (>20%).
Trước khi các sai số đáng kể được phát hiện.
2.1.2.6 Thiết bị điện tử công suất
Thiết bị điện tử trong nhiều trường hợp là một nguồn đáng kể của các dịng điện
điều hồ thì nó cũng rất dễ bị vận hành sai do sự làm méo các sóng hài. Thiết bị này
thường phụ thuộc vào sự xác định chính xác điện áp qua điểm không hay điểm mà tại

Trang 10