TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊNKHOA SAU ĐẠI HỌC
KHOA SAU ĐẠI HỌC

 BẢN TÓM TẮT
LUẬN VĂN THẠC SĨChuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Thầy hướng dẫn: TS. TRẦN XUÂN MINH
Thầy hướng dẫn: TS. TRẦN XUÂN MINH
Người thực hiện: Đoàn Thị Lệ Thuỳ
Người thực hiện: Đoàn Thị Lệ Thuỳ
THÁI NGUYÊN - 2012
THÁI NGUYÊN - 2012
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
BẢN TÓM TẮT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học
Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung:
“Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực để giảm hài dòng điện nâng cao
chất lượng lưới điện”. Cấu trúc của luận văn gồm 4 chương :
Chương 1: Tổng quan về sóng hài trong lưới điện công nghiệp
Chương 2: Các biện pháp hạn chế sóng hài trong hệ thống điện
Chương 3: Cấu trúc và thuật toán điều khiển bộ lọc tích cực
Chương 4: Mô phỏng hệ thống
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2012
Người thực hiện
Đoàn Thị Lệ Thuỳ
Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI TRONG LƯỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.2. KHÁI NIỆM VỀ SÓNG HÀI
Sóng hài điện áp và dòng điện là các phần hình sin (điều hòa) của điện áp, dòng
điện có tần số khác tần số điện áp lưới (tần số cơ bản). Sóng hài có tần số thấp hơn tần
số sóng cơ bản (còn gọi là sóng bậc nhất) được gọi là sóng hài bậc thấp, sóng hài có
tần số cao hơn tần số sóng cơ bản được gọi là sóng hài bậc cao.
Các bộ biến đổi điện tử công suất gây nên sóng hài trong dòng điện lưới gồm:
các bộ chỉnh lưu trong các hệ điều tốc động cơ một chiều; các bộ biến đổi tần số trực
tiếp; các bộ biến tần cũng như các thiết bị phát dao động của các lò tần số; …
Các bộ biến đổi điện tử công suất không tạo ra tất cả các bậc hài mà chỉ một số
bậc hài nhất định.
1.3. CÁC NGUỒN SINH RA SÓNG HÀI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
Nguồn sinh ra sóng hài chủ yếu là các tải phi tuyến kết nối trên lưới. Trong đó
các thiết bị chứa các mạch điện tử công suất là các tải phi tuyến tiêu biểu. Các phụ tải
ít nhiều có tính phi tuyến thường gặp trong công nghiệp và dân dụng gồm:
1.3.1. Máy biến áp

1.4.1. Máy biến áp
Các sóng hài bậc cao gây ra tổn thất trên cuộn dây, trên lõi sắt máy biến áp, dẫn
tới làm tăng tổn thất điện năng và có thể làm nóng quá mức máy biến áp, ảnh hưởng
đến đặc tính làm việc của cách điện và giảm tuổi thọ máy biến áp.
1.4.2. Động cơ điện
Các sóng hài điện áp xuất hiện thì tồn tại các sóng hài dòng điện, gây ra các tổn
thất phụ trên dây quấn và trên mạch từ động cơ. Biên độ sóng bậc cao càng lớn, tổn
thất công suất càng tăng, nhiệt độ động cơ tăng và khi vượt quá một mức nào đó có thể
làm cho nhiệt độ động cơ vượt quá mức chịu đựng của cách điện trong động cơ, gây
hỏng động cơ. Mặt khác, các sóng hài bậc cao dòng điện tạo ra các mô men đập mạch,
có thể gây nên hiện tượng rung trong máy điện, gây hỏng thiết bị. Thêm nữa, hiện
tượng rung còn có tác động xấu khác là gây ồn, chất lượng làm việc của thiết bị giảm.
1.4.3. Dây dẫn điện
Cùng truyền một công suất tác dụng cho tải như nhau, nhưng khi trong dây dẫn
có các thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện thì tổn hao nhiệt trên dây dẫn cao
hơn.
1.4.4. Làm tăng dòng điện dây trung tính
Khi xuất hiện sóng hài bậc cao trong hệ thống điện, dòng điện dây trung tính
tăng. Trong trường hợp này, phần quan trọng nhất của dòng điện chạy qua dây trung
tính là sóng hài bậc ba.
1.4.5. Làm nhiễu loạn đến các thiết bị điện và điện tử
Sóng hài bậc cao dòng điện chạy trên các đường dây truyền tải là nguyên nhân
gây nhiễu với các mạch truyền thông gần đường dây tải điện và có thể gây ra sự cố
cho các thiết bị của các mạch điện này. Mặt khác, sóng hài bậc cao dòng điện cũng là
nguyên nhân gây nhiễu loạn cho các tải nhạy cảm của hệ thống điện như các thiết bị y
tế nhạy cảm, mạch điều khiển và máy tính [9].
1.4.6. Ảnh hưởng xấu đến tụ điện
Ảnh hưởng của các thành phần sóng hài trên bộ tụ điện đó là sự gia tăng nhiệt
của chất điện môi, nhất là với các sóng hài tần số cao, làm cho nhiệt độ của bộ tụ cao
hơn bình thường và thậm chí có thể vượt quá nhiệt độ cho phép, trong nhiều trường

CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Như đã nhận xét trong phần cuối chương 1, sóng hài tồn tại và gây nên những
ảnh hưởng xấu đến hệ thống điện và các thiết bị sử dụng điện. Giảm thiểu hoặc loại bỏ
các sóng hài có thể được thực hiện bằng nhiều biện pháp khác nhau như dùng cuộn
kháng, các bộ lọc,….Tuy nhiên, sẽ là tốt hơn nếu ngăn chặn các sóng hài trong quá
trình sản xuất. Trong mục này sẽ giới thiệu một số biện pháp thực tiễn dùng để giảm
ảnh hưởng của sóng hài.
2.1. CÁC BIỆN PHÁP NGĂN NGỪA PHÁT SINH SÓNG HÀI
Một trong những biện pháp tích cực để giảm sóng hài trong dòng điện của lưới
điện công nghiệp là lựa chọn bộ biến đổi phù hợp hoặc nghiên cứu và đưa vào sử dụng
các bộ biến đổi với cấu trúc điều khiển mới có khả năng giảm biên độ các sóng hài
hoặc giảm số lượng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn, mà đặc biệt là các sóng
hài tần số thấp (bậc 5, bậc 7).
2.2. TĂNG ĐIỆN KHÁNG PHÍA NGUỒN XOAY CHIỀU TẠI ĐIỂM NỐI VỚI TẢI
PHI TUYẾN
Trong trường hợp không thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu liên hợp có số lần đập
mạch của điện áp đầu ra q lớn, khi đó, biện pháp đơn giản để hạn sóng hài dòng điện
nguồn là mắc nối tiếp điện cảm thêm vào phía xoay chiều.
Có thể giải thích một cách định tính như sau, cuộn kháng có tác dụng làm chậm
tốc độ tăng của dòng khi dòng điện khi dòng điện chuyển từ van này sang van khác
(chuyển mạch). Với phương pháp này thì việc cải thiện được độ méo sóng hài bao
nhiêu lại phụ thuộc vào lượng sụt áp cho phép với tải là bấy nhiêu.
2.3. SỬ DỤNG CÁC BỘ LỌC THỤ ĐỘNG
Bộ lọc thụ động là các thiết bị được xây dựng từ các điện cảm, điện dung và có
thể cả điện trở với một số đặc tính nào đó có thể hạn chế, làm giảm thành phần sóng
hài dòng và áp cho lưới điện. Các bộ lọc thụ động có cấu trúc đơn giản, độ bền cao,
vận hành đơn giản nên được sử dụng khá phổ biến để hạn chế sóng hài cho lưới điện.
Tuy nhiên, chúng có một số nhược điểm là có khả năng tương tác bất lợi với hệ thống
điện, với một bộ lọc thường chỉ có khả năng hạn chế được một hoặc một số sóng hài
nào đó. Thông thường các bộ lọc thụ động có kết cấu gồm một nhóm mắc song song

, dòng điện bộ lọc phát ra i
C

và dòng điện nguồn i
S
2.4.2. Phân loại bộ lọc tích cực
Dựa trên cấu trúc, có hai loại bộ lọc tích cực: bộ lọc tích cực nguồn dòng và bộ
lọc tích cực nguồn áp. Bộ lọc tích cực nguồn dòng (CSAFs) sử dụng cuộn dây như là
thiết bị lưu trữ năng lượng DC. Bộ lọc tích cực nguồn áp (VSAFs), sử dụng tụ điện là
phần tử tích trữ năng lượng. VSAFs ít tốn kém hơn, nhẹ hơn, và dễ dàng điều khiển so
sánh hơn so với CSAFs.
2.4.2.1. Phân loại theo bộ biến đổi công suất
a. Bộ lọc tích cực nguồn dòng CSAFs
Tải phi tuyến tạo ra dòng điện không sin. Các thành phần sóng hài của dòng
điện đi qua các trở kháng nguồn xoay chiều gây nên các sụt điện áp làm cho điện áp
của lưới điện xoay chiều bị méo dạng (không còn là hình sin). Bộ lọc tích cực được
thiết kế để tạo ra các sóng hài dòng điện bằng về biên độ và ngược pha với các sóng
hài của dòng điện tải, kết quả là dòng điện nguồn không còn các sóng hài khác sóng
hài cơ bản nữa.
b.
Bộ lọc tích
cực
nguồn áp
VSAFs
Hầu hết những bộ lọc tích cực kiểu chủ yếu là bộ lọc tích cực kiểu chuyển đổi
nguồn áp, được thiết kế, cải tiến và được sử dụng trong nhiều năm và hiện đang trong
giai đoạn thương mại. Những bộ lọc này nhẹ hơn, ít tốn kém hơn và dễ dàng điều
Hình 2.3: Bộ lọc tích cực mắc song song nguồn dòng
C
f

là rất có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn.
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc UPQC
Bộ chuyển
đổi nối tiếp
Bộ chuyển
đổi song
song
Chương 3:
CẤU TRÚC VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Với các bộ lọc đã được giới thiệu trong chương 2 (Bộ lọc thụ động, bộ lọc tích
cực, bộ lọc hỗn hợp kết hợp giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc tích cực, bộ lọc hỗn hợp
kiểu UPQC), rõ ràng các bộ lọc hỗn hợp có hiệu quả cao nhất, tuy nhiên cấu trúc của
nó cũng phức tạp nhất. Để giảm nhỏ độ phức tạp, tính khả thi cao, đề tài lựa chọn
nghiên cứu, xây dựng bộ lọc tích cực có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều hộ phụ tải điện
có khả năng gây nên sóng hài cho hệ thống điện. Nội dung cơ bản tiếp theo là lựa chọn
cấu trúc, thuật toán điều khiển và xây dựng bộ điều khiển cho thiết bị lọc.
3.2. LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ LỌC VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU
KHIỂN BỘ LỌC
3.2.1. Lựa chọn loại bộ lọc tích cực
Theo các phân tích ở chương 2 và dựa vào các tài liệu đã được các nhà khoa học
công bố, có thể thấy, với phạm vi công suất trung bình và nhỏ thì thường hay sử dụng
các bộ lọc tích cực mắc song song. Thêm nữa, các bộ lọc tích cực lại có loại nguồn áp
và loại nguồn dòng. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều chỉ ra rằng, bộ lọc
tích cực nguồn áp nhẹ hơn, ít tốn kém hơn, điều khiển thuận tiện hơn, hiệu suất cao
hơn so với bộ lọc tích cực nguồn dòng [9]. Trên cơ sở các phân tích này, tác giả luận
văn quyết định chọn loại bộ lọc nguồn áp mắc song song để thiết kế ứng dụng.
3.2.2. Lựa chọn thuật toán điều khiển bộ lọc
Các thuật toán điều khiển các bộ lọc tích cực đã được nhiều nhà khoa học trên
thế giới quan tâm và đã có nhiều thuật toán được ứng dụng. Với giới hạn của đề tài,

 
   
 
   
   
 
 
 
(3.1)
Tương tự ta có:

A
B
0 C
1 1
1
2 2
i i
2 3 3
i 0 . i
3 2 2
i i
1 1 1
2 2 2
α
β
 
− −
 
 

1 1
u
1
u
2
2 2
. u
u
3
3 3
0 u
2 2
α
β
 
 
− −
 
 
 
 
=
 
 
 
 
 
−
 
 

 
 
 
 
−
 
 
 
(3.4)
Từ lý thuyết p - q xác định được công suất tác dụng tức thời p và công suất ảo
q được cho bởi công thức :
ta có:

p u .i u .i
q u .i u .i
α α β β
α β β α
= +
= −
(3.5)
hay:










~
. Nó được hiểu rằng công suất tác dụng tức thời p có giá trị không đổi
p

xếp chồng với thành phần dao động
p
~
.
p =
p
+
p
~
(3.7)
Tương tự như vậy, công suất phản kháng cũng bao gồm thành phần không đổi
q
và thành phần dao động
q
~
.

qqq
~
+=
(3.8)
Công suất tác dụng tức thời p biểu diễn tổng dòng chảy năng lượng cho mỗi
đơn vị thời gian trong mạch điện. Giá trị trung bình
p
biểu diễn dòng năng lượng cho
mỗi đơn vị thời gian theo một hướng duy nhất. Thành phần dao động

Khi phân chia công suất này, những thành phần không mong muốn của công
suất tác dụng và công suất phản kháng của tải cần phải được bù có lựa chọn. Trong
trường hợp này, mục tiêu điều khiển là lưới điện chỉ cung cấp công suất trung bình
p
,
trong khi công suất
q
,
q
~
,
p
~
sẽ hình thành các công suất chuẩn từ đó các dòng điện
chuẩn sẽ được tính toán.
Để đạt được hệ số công suất bằng 1 và loại bỏ sóng hài, công suất tác dụng
xoay chiều
p
~
đã được loại bỏ. Công suất bù
p
~
có thể thu được bằng cách lọc ra các
thành phần xoay chiều từ công suất tác dụng tức thời p.
Khi đó, công suất được cung cấp bởi bộ lọc là:
p
AF
= -
p
~






∗
∗
∗
q
p
uu
uu
uu
i
i
c
c
~
1
2
αβ
βα
βα
β
α
(3.10)
Tuy nhiên do điện áp trên tụ là không ổn định do đó để đảm bảo điện áp trên tụ
là không đổi thì nguồn cần cung cấp một công suất
0
p

∗
∗
∗
q
pp
uu
uu
uu
i
i
c
c
0
2
~
1
αβ
βα
βα
β
α
(3.11)
Đây là công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ tọa độ α-β khi kết hợp cả chức
năng lọc sóng điều hòa và bù CSPK.
Từ dòng bù tính được trong hệ tọa độ α-β, có thể tính được dòng điện bù cần
thiết trong hệ tọa độ ba pha ABC từ (3.6) và (3.12):

cA
c
cB

 
 
 
 
 
 
− −
 
 
(3.13)
3.2.3. Xây dựng thuật toán điều khiển cho bộ lọc tích cực
Hình 3.3 biểu diễn thuật toán thực hiện để tính các dòng điện đặt cần thiết cho
khối điều khiển dòng của bộ lọc công suất tích cực (APF-Active Power Filters). Với
công suất trung bình
p
chỉ bao gồm thành phần một chiều (DC) thì chỉ cần một bộ lọc
thông cao sẽ tách được thành phần dao động từ công suất p. Tuy nhiên, trên thực tế thì
sử dụng bộ lọc thông thấp (LPF) để tách thành phần công suất tác dụng trung bình sẽ
dễ thực hiện hơn, khi đó, công suất dao động 
p
~
có thể tính được bằng cách lấy công
suất tác dụng p trừ đi tín hiệu đầu ra của bộ lọc thông thấp (
p
). Thành phần công suất
tác dụng dao động
p
~
và công suất phản kháng q cần được bù để đảm bảo dòng điện
nguồn là tối ưu.

∗
∗
q
pp
uu
uu
uu
i
i
c
c
0
22
~
1
ββ
βα
βα
β
α
(3.14)
Các dòng bù cần thiết cho pha A, pha B và pha C có thể được tính bằng cách sử
dụng chuyển đổi ngược của Park và được biểu diễn bởi biểu thức ở dạng ma trận như
sau:

*
cA
*
c
*

 
 
 
− −
 
 
(3.15)
3.2.4. Xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ lọc tích cực
3.2.4.1. Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực một pha mắc song song
. Nó bao gồm một bộ biến đổi nguồn áp với bộ điều khiển PWM và một bộ điều
khiển lọc tích cực được thực hiện với thuật toán gần như tức thời. Bộ điều khiển lọc
tích cực mắc song song tạo ra các dòng điện chuẩn
*
ref
i
, nó sẽ được sử dụng để điều
khiển bộ chuyển đổi PWM. Dòng điện bù i
c
được dùng để bù dòng tải i
L
để bảo đảm
dòng nguồn i
s
là hình sin, cân bằng và giảm dòng bù
S
i
được lấy từ mạng. Mục tiêu
này đạt được ngay cả dưới hệ thống điện áp không sin. Các đầu vào của bộ điều khiển
bộ lọc mắc song song là điện áp tải, dòng tải và đường dẫn điện áp một chiều dc.
3.2.4.2. Đề xuất cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực ba pha ba dây

giả luận văn đã thực hiện lựa chọn được loại bộ lọc: Bộ lọc tích cực nguồn áp mắc
song song. Sử dụng lý thuyết về công suất tức thời p-q do Akagi đưa ra, luận văn đã
xây dựng được cấu trúc thuật toán và cấu trúc điều khiển cho bộ lọc tích cực ba pha ba
dây để ứng dụng vào việc lọc sóng hài do tải phi tuyến gây ra với cấp công suất từ
trung bình trở xuống. Ngoài tác dụng lọc sóng hài, với cấu trúc điều khiển đã nêu, bộ
lọc còn có thể đảm nhận thêm chức năng bù công suất phản kháng và giảm bớt mức độ
mất cân bằng dòng điện các pha khi tải không đối xứng.
+
Vdc
PI
V*dc
-
Hình 3.6: Bộ điều khiển điến áp một chiều sử dụng bộ điều chỉnh PI
Chương 4:
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Để kiểm tra và đánh giá chất lượng bộ lọc đã thiết kế, đơn giản và dễ thực hiện
nhất là sử dụng phương pháp mô phỏng. Trong luận văn, sử dụng phần mềm Matlab -
Simulink, đây là phần mềm mô phỏng đa dụng và được sử dụng phổ biến trong việc
mô phỏng các hệ thống điều khiển tự động. Trong phần mềm này có những công cụ
mô phỏng mạch điện, hệ thống điện, các hệ điều chỉnh tự động, các bộ biến đổi bán
dẫn công suất rất dễ sử dụng và cho kết quả sát với hệ thống thực.
Hình 4.1: Mô hình mô phỏng hệ thống điện gồm nguồn, đường dây truyền tải,
tải phi tuyến và bộ lọc tích cực ba dây mắc song song
4.1. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG
4.1.1. Sơ đồ mô phỏng tổng thể
Hình 4.1 biểu diễn sơ đồ (chương trình) mô phỏng hệ thống trong phần mềm
Matlab - Simulink.
Hệ thống bao gồm:
- Phần nguồn gồm có hệ thống điện áp xoay chiều hình sin ba pha, đường dây
truyền tải có điện trở và điện cảm;

Hình 4.2: Mô hình tải phi tuyến
Dòng điện chuẩn id_ref, iq_ref sẽ được so sánh với dòng thực id, iq được lấy từ
đầu ra của bộ lọc. Sai lệch của các tín hiệu này được đưa vào bộ điều chỉnh là khâu PI.
Sau khi tính toán được Ud và Uq, đưa vào khối chuyển trục tọa độ dq → αβ được áp
Uα, Uβ. Sau đó tín hiệu này được đưa vào khống chế khâu phát xung điều khiển các
van của bộ lọc tích cực.
Như vậy bộ điều khiển dòng điện này điều khiển theo sai lệch dòng, khi mà
dòng id, iq tăng quá ngưỡng thì nó sẽ phát xung đóng cắt các van của bộ biến đổi để
dòng giảm xuống còn nếu dòng id, iq giảm quá mức thì nó sẽ phát xung mở các van để
tăng dòng.
4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Thời gian lấy mẫu 60µs đã được sử dụng để so sánh tất cả các kết quả thu được.
Tất cả các mô phỏng được thực hiện theo cơ chế giống nhau: mô phỏng bắt đầu tại t =
0,0 s và chỉ kích hoạt các thành phần là lưới điện và tải. Các APF được kết nối với lưới
và tại thời điểm tức thời t = 0,15s bộ lọc công suất tích cực nhận được công suất hiệu
chỉnh chuẩn và nó bắt đầu làm việc.
Hình 4.12 biểu diễn điện áp của nguồn cấp cho tải khi bộ lọc tích cực vẫn chưa
làm việc. Có thể thấy rằng, điện áp tại điểm đấu PPC2 đã bị biến dạng, lõm ở đỉnh,
Hình 4.3. Khối điều khiển dòng và phát xung
không còn ở dạng sin chuẩn nữa. Nguyên nhân do chứa nhiều thành phần sóng hài bậc
cao sinh ra từ tải phi tuyến.
Hình 4.5, hình 4.6 biểu diễn dạng dòng điện cấp cho tải, THD và phổ sóng hài
dòng điện lưới khi bộ lọc chưa được đưa vào làm việc.
Hình 4.4: Dạng điện áp của nguồn tải PPC2 khi bộ lọc chưa tác động
Hình 4.5: Dạng dòng điện tải khi bộ lọc chưa tác động