BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHAN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU SÓNG HÀI
LƢỚI ĐIỆN NHÀ MÁY THÉP TRÊN ĐỊA BÀN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHAN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU SÓNG HÀI
LƢỚI ĐIỆN NHÀ MÁY THÉP TRÊN ĐỊA BÀN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PGS.TS. Ngô Cao Cƣờng


TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 29 tháng 7 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Tiến Dũng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 11/05/1980

Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Phan Tiến Dũng


ii

LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên con xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những ngƣời thân
trong gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập
và thực hiện đề tài.
Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý thầy cô trƣờng Đại Học Công Nghệ TP
Hồ Chí Minh, Quý thầy cô đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt
quá trình học tập tại trƣờng để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Đặc biệt em xin đƣợc cảm ơn thầy TS. Võ Viết Cƣờng đã tận tình giúp đỡ,
hƣớng dẫn và động viên em trong suốt quá trình thực hiện để em có thể hoàn thành tốt
luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn các Ban Giám Đốc và các Anh Chị công tác tại Công ty
Điện lực Gia Định, Công ty Thí Nghiệm Điện lực TP.HCM, Công ty TNHH MTV
Thép Đăng Khoa, Công ty TNHH SX TM Thép Châu Á, Ban Kỹ thuật thuộc Tổng
Công ty Điện Lực Tp.Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong
quá trình học tập và công tác.
Cuối cùng xin cám ơn tất cả những ngƣời bạn đã kề vai sát cánh cùng tôi trong
suốt thời gian qua.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 9 - 2016
Học viên thực hiện
Phan Tiến Dũng

iv

ABSTRACT

Because of the growth of the economy, the rapid increase in electricity load
caused huge pressure for the power sector, especially the rise of nonlinear loads in the
power system and particularly in industry sector. This is reason why the frequency sine
waves are integer multiples of the basic frequency called harmonics. The spread
harmonics in the power system and cause adverse effects to the elements of the power
system. Therefore, "Solution for reducing the harmonics in electricity system of Steel
plant in HCM City – case study" is necessary. With the aim: to find solutions to reduce
harmonics to an acceptable level for the power grid of the steel plant in Vietnam.
After a period of research, the thesis had achived some following key issues:
- Study the theory of: (1) the cause of harmonics and the effects of harmonics on
power systems; (2) Learn the standards related to harmonics.
- Measure some parametters from Dang Khoa and Chau A steel Plant in Hoc Mon
district, HCM city.
- From the theory and measuring in the reallity to undertake research and offer
solutions effectively minimize harmonics. The solution is verified by simulation results
using Matlab software and concluded as follows: (1) The simulation results showed
positive filter designed to work very well, power lines source after the filter has a total
distortion THD
5

1.2.5.2 Độ méo dạng nhu cầu tổng
1.2.6 Khái niệm điểm kết nối chung
1.3 Nguồn gốc phát sinh sóng hài
1.3.1 Các phụ tải phát sinh hài trong thƣơng mại
1.3.1.1 Đèn huỳnh quang

6
7
8
8
9

1.3.1.2 Các bộ điều chỉnh tốc độ
1.3.1.3 Các bộ nguồn một pha
1.3.2 Các phụ tải phát sinh hài trong công nghiệp
1.3.2.1 Các bộ biến đổi công suất ba pha dùng linh kiện điện tử công suất

9
10
11
11


vi

1.3.2.2 Các thiết bị hồ quang
1.3.2.3 Các thiết bị bão hòa
1.4 Ảnh hƣởng của sự méo dạng sóng hài lên các phần tử của hệ thống điện


13
13
14
14
15
18
19
20
20
21
21
23
25
25
25
26
26
27
27
29
29
30
30
31
32
33
34
39
40

61
61
61
61
62
63
64
64

3.2.2.2 Phép giao hai tập mờ
3.2.2.3 Mệnh đề hợp thành
3.2.3 Luật hợp thành
3.2.4 Giải mờ
3.2.5 Bộ điều khiển mờ

44
47
47

64
65
65
67
68

3.2.6 Nguyên lý điều khiển mờ
68
3.3 Giải pháp giảm thiểu sóng hài cho các công ty thép sử dụng lò cảm ứng
69
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG

4.2.2.2 Bộ lọc thông thấp LPF
4.2.2.3 Bộ điều khiển AF
4.2.2.4 Khâu AF
4.2.3 Ứng dụng hệ mờ điều khiển bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng.
4.2.3.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ
4.2.3.2 Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulik khi sử dụng bộ điều
khiển mờ
4.3 Đánh giá và so sánh kết quả
4.3.1 Đánh giá và so sánh kết quả khi thêm bộ lọc tích cực sử dụng hệ mờ
4.3.2 So sánh kết quả khi thêm bộ lọc tích cực sử dụng hệ mờ với điều khiển bộ
lọc tích cực bằng phƣơng pháp điều khiển theo vecto không gian.
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬT VÀ KIẾN NGHỊ
5.1 Kết luận
5.2 Kiến nghị
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

74
74
74
75
76
76
77
77
78
79
80
80
81

- IEC (International Electrotechnical Commission): Hội đồng kỹ thuật điện quốc tế.
- IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers): Viện kỹ sƣ điện - điện
tử, Mỹ.
- L-L (Line - Line): Pha-pha.
- PCC (Point of Common Coupling): Điểm kết nối chung.
- PWM (Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung.
- RMS (Root Mean Square): Trị hiệu dụng.
- SCR (Silicon Controlled Rectifier): Linh kiện bán dẫn công suất Thyristor có điều
khiển đóng bằng dòng điện xung dƣơng kích cổng, không kích ngắt.
- SMPS (Switch-Mode Power Supply): Bộ nguồn một chiều dạng xung.
- TDD (Total Demand Distortion): Méo dạng nhu cầu tổng.
- THD (Total Harmonic Distortion): Méo dạng sóng hài toàn phần.
- VSI (Voltage Source Inverter): Bộ nghịch lƣu kiểu nguồn áp.


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Ví dụ việc đánh giá thông số của tụ ............................................................ 16
Bảng 1.2 Các giá trị PEC-R của các máy biến áp tiêu biểu ........................................... 18
Bảng 1.3 Độ biến dạng sóng hài điện áp .................................................................... 21
Bảng 1.4 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ biến
(từ 120V đến 69.000V) .............................................................................................. 21
Bảng 1.5 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống phân phối phổ biến
(từ 69.001V đến 161.000V) ....................................................................................... 22
Bảng 1.6 Các mức méo dạng dòng điện đối với các hệ thống truyền tải
(>161.000V) ............................................................................................................... 22
Bảng 1.7 Các mức giới hạn méo dạng điện áp theo tiêu chuẩn IEEE519-1992 ........ 23
Bảng 1.8 Giới hạn phát sinh dòng hài cho thiết bị theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-4 .. 24
Bảng 2.1 So sánh hiệu suất và việc cung cấp điện cho lò nấu thép cảm ứng ............ 28

Hình 2.4 Mô hình hệ thống cung cấp điện lò nấu thép cảm ứng trên phần mềm
Matlab/Simulink ......................................................................................................... 30
Hình 2.5 Nguồn cung cấp ba pha ba dây .................................................................. 30
Hình 2.6 Khối chỉnh lƣu có điều khiển ..................................................................... 31
Hình 2.7 Khối nghịch lƣu cộng hƣởng nguồn dòng .................................................. 31
Hình 2.8 Khối lò nấu thép cảm ứng ........................................................................... 32
Hình 2.9 Khối phát xung điều khiển .......................................................................... 33


xii

Hình 2.10 Giản đồ xung kích điều khiển bộ nghịch lƣu cộng hƣởng ....................... 34
Hình 2.11 Khối đo lƣờng và hiển thị ......................................................................... 34
Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện tại các điểm đo trên sơ đồ mô phỏng lò cảm
ứng .............................................................................................................................. 37
Hình 2.13 Phổ tín hiệu dòng điện pha A ứng với Lt=108,4 µH ................................. 38
Hình 3.1 Mức độ méo dạng dòng điện theo điện kháng Z của cuộn kháng ............. 43
Hình 3.2 So sánh độ méo dạng của hai trƣờng hợp có và không có cuộn kháng 3%
đối với nhiều dung lƣợng khác nhau của bộ ASD ..................................... 44
Hình 3.3 Kết hợp 2 bộ ASD 6-xung với 2 máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau để
tạo ra hiệu ứng 12-xung để loại bỏ các hài bậc 5 và bậc 7 ........................ 45
Hình 3.4 Máy biến áp đấu dây kiểu ZigZag để dẫn các hài thứ tự không ra khỏi hệ
thống ........................................................................................................... 45
Hình 3.5 Cấu tạo các bộ lọc thụ động phổ biến ....................................................... 47
Hình 3.6 Một pha của bộ lọc ba pha điển hình đƣợc bao kín bằng kim loại ........... 48
Hình 3.7 Bộ lọc tiêu biểu cho các ứng dụng trong công nghiệp ............................... 48
Hình 3.8 Tạo một bộ lọc hài bậc 5 và ảnh hƣởng của chúng lên đáp ứng của
hệ thống .................................................................................................... 49
Hình 3.9 Cấu tạo của bộ lọc thụ động nối tiếp điển hình ......................................... 51
Hình 3.10 Cấu tạo của bộ lọc thông thấp dải rộng điển hình.................................... 51

Hình 4.6 Sơ đồ mạch điện LPF .................................................................................. 78
Hình 4.7 Phƣơng pháp điều chế PWM ...................................................................... 80
Hình 4.8 Mô hình khâu tách dòng điện dài BPF ........................................................ 80
Hình 4.9 Mô hình khâu lọc thông thấp LPF .............................................................. 81
Hình 4.10 Mô hình khâu điều khiển .......................................................................... 81
Hình 4.11 Mô hình khâu nghịch lƣu AF .................................................................... 82
Hình 4.12 Mờ hóa biến ngôn ngữ e ........................................................................... 83
Hình 4.13 Mờ hóa biến ngôn ngữ de ......................................................................... 83


xiv

Hình 4.14 Mờ hóa biến ngôn ngữ u ........................................................................... 84
Hình 4.15 Quan hệ giữa u theo e và de ...................................................................... 85
Hình 4.16 Sơ đồ tổng quát của hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ ......................... 86
Hình 4.17 Phổ tín hiệu điện áp pha A (thanh cái B1) ................................................ 87
Hình 4.18 Phổ tín hiệu dòng điện pha A (thanh cái B1) ............................................ 87
Hình 4.19 Dòng điện tải ilA và dòng điện nguồn isA................................................ 89
Hình 4.20 Phổ tín hiệu của dòng điện sau điểm nối chung thanh cái B1 và B2 ........ 89
Hình 4.21 Điều khiển bộ lọc theo phƣơng pháp vectơ không gian ........................... 91
Hình 4.22 Điều khiển bộ lọc mờ ................................................................................ 91


1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI
1.1 Tổng quan về chất lƣợng điện năng
1.1.1 Định nghĩa chất lƣợng điện năng
Có thể có nhiều định nghĩa khác nhau về chất lƣợng điện năng tùy thuộc vào
quan điểm của mỗi ngƣời. Ví dụ, các Công ty điện lực có thể định nghĩa chất lƣợng

Công ty điện lực: 1%

Hình 1.1 Các kết quả thăm dò về các nguyên nhân làm xấu chất lƣợng điện năng
Nếu năng lƣợng điện là không thỏa đáng đối với những yêu cầu của tải, thì có
nghĩa là “chất lƣợng” xấu.
1.1.2 Chất lƣợng điện năng = chất lƣợng điện áp
Thuật ngữ phổ biến để mô tả các vấn đề xấu của hệ thống điện là chất lƣợng
điện năng; Tuy nhiên, thực ra chất lƣợng điện áp đƣợc chú tâm trong hầu hết các tình
huống. Về mặt kỹ thuật, trong các thuật ngữ chuyên ngành, công suất là tốc độ phân
phối năng lƣợng và tỷ lệ với tích của điện áp và dòng điện. Thật khó định nghĩa “chất
lƣợng” cho đại lƣợng này với đầy đủ ý nghĩa. Hệ thống cung cấp điện năng có thể chỉ
điều khiển chất lƣợng của điện áp; không điều khiển trên dòng điện. Vì vậy, các tiêu
chuẩn trong lĩnh vực chất lƣợng điện năng đƣợc dành hết cho việc duy trì điện áp cung
cấp nằm trong các giới hạn cho phép.
1.2 Tổng quan về sóng hài
Khi các bộ biến đổi công suất dùng linh kiện điện tử công suất trở nên phổ biến
đầu tiên vào cuối thập niên 70 của thế kỷ 20, rất nhiều kỹ sƣ của các công ty điện lực
trở nên khá quan tâm về khã năng của hệ thống điện để thích ứng với sự méo dạng
sóng hài. Nhiều sự tiên đoán kinh khủng đã đƣợc đƣa ra cho số phận của hệ thống điện
nếu những thiết bị này đƣợc chấp nhận để tồn tại. Trong khi một vài mối quan tâm
trong những quan tâm này có thể đã đƣợc phóng đại, tuy nhiên lĩnh vực phân tích chất


3

lƣợng điện năng chịu ơn lớn đối với những nguời này bởi vì những quan tâm của họ đã
đi trƣớc trong vấn đề mới về sóng hài đã khuấy động việc nghiên cứu mà cuối cùng đã
cho ra các kiến thức về tất cả các khía cạnh về chất lƣợng điện năng.
Các vấn đề về sóng hài thì chống lại các nguyên tắc thiết kế cổ điển và vận hành
hệ thống điện mà chỉ quan tâm đến tần số cơ bản. Vì thế, các kỹ sƣ phải đối mặt với

1.2.3 Dòng hài
Dòng điện và điện áp hài đƣợc sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống
phân phối điện. Toàn bộ các bộ biến đổi năng lƣợng điện sử dụng dƣới các dạng khác
nhau trong hệ thống điện có thể làm tăng nhiễu sóng hài bằng cách bơm trực tiếp dòng
điện hài vào lƣới. Các tải phi tuyến thông thƣờng bao gồm khởi động động cơ, các hệ
truyền động điện, máy tính và các thiết bị điện tử khác, đèn điện tử, nguồn hàn...
1.2.4 Tác hại của sóng hài
Hệ thống lƣới 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 mòn thiết bị nhƣng ít ngƣời nhận biết đƣợc
chính là sóng hài - mối nguy cơ tiềm ẩn đƣợc phát hiện ngay đầu thập niên 1890.
Sóng hài và mức độ ảnh hƣởng: Sóng hài là dòng điện không mong muốn làm
quá tải đƣờng dây và biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc thậm chí gây hỏa hoạn)
và gây nhiễu lên lƣới điện. Trong trƣờng hợp chạy nhiều động cơ cùng lúc, nếu không
có biện pháp kiểm soát 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).
Nếu phải thay thế thiết bị hƣ hỏng nguyên nhân gây ra do sóng hài, điều này có
thể làm tăng kinh phí đầu tƣ đến 15% và kinh phí vận hành đến 10%. Trong ngành
công nghiệp, bảo vệ lợi nhuận là ƣu tiên hàng đầu, kiểm soát đƣợc thiết bị và kinh phí
vận hành là nhân tố quan trọng. Muốn đạt đƣợc mục tiêu này các doanh nghiệp, tổ
chức cần lƣu tâm và làm tốt công tác hạn chế tác hại của sóng hài. Tác hại của sóng hài
với lƣới điện: Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện
tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lƣới
điện nhƣ làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hƣ


5

hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ; làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều
trƣờng hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi. Các sóng điều hòa bậc cao còn có thể
làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tƣợng nhảy rơle dẫn đến thời điểm

trị hiệu dụng (giá trị thực) của các thành phần hài của một dạng sóng méo dạng. Trị
hiệu dụng của một dạng sóng méo dạng không phải là tổng của các thành phần độc lập,
mà là căn bậc 2 của tổng các bình phƣơng. THD có quan hệ với trị hiệu dụng của một
dạng sóng nhƣ sau:


6

RMS 

hmax

M
h 1

2
h

 M1 1  THD 2

(1.2)

THD là đại lƣợng rất hữu ích cho nhiều áp dụng, nhƣng các giới hạn của chúng
phải đƣợc nhận ra. Chúng cung cấp một sự hình dung lý tƣởng rằng có bao nhiêu nhiệt
thêm vào sẽ đƣợc nhận dạng khi một điện áp méo dạng đặt vào một tải trở. Nhƣ thế,
chúng có thể cho ra một sự biểu thị các tổn thất thêm vào đƣợc gây ra bởi dòng điện
chạy qua vật dẫn. Tuy nhiên, chúng không phải là đại lƣợng biểu thị tốt cho hiệu ứng
điện áp trong tụ điện bởi vì chúng liên quan với giá trị đỉnh của dạng sóng điện áp chứ
không phải giá trị tăng nhiệt của chúng.
Các điện áp hài hầu hết thƣờng đƣợc tham chiếu với giá trị cơ bản của dạng

7

thống thì có thể tính IL = trung bình của dòng nhu cầu cực đại trong một năm. Phép tính
này thực hiện đơn giản bằng cách lấy trung bình chỉ số dòng điện nhu cầu đỉnh trong
12 tháng. Đối với một nhà máy mới thì IL có thể đƣợc ƣớc lƣợng dựa vào sự tiên đoán
chế độ hoạt động của tải.
1.2.6 Khái niệm điểm kết nối chung
Việc đánh giá sự méo dạng hài thƣờng đƣợc thực hiện tại một điểm giữa hộ
dùng điện hoặc khách hàng và hệ thống của điện lực ở nơi mà khách hàng khác cũng
có thể đƣợc cấp điện. Điểm này đƣợc hiểu là điểm kết nối chung.
Điểm kết nối chung này có thể đƣợc định tại hoặc là phía sơ cấp hoặc là phía
thứ cấp của máy biến áp phụ thuộc vào máy biến áp đó có cung cấp cho nhiều khách
hàng hay không. Nói theo cách khác, nếu nhiều khách hàng đƣợc cấp điện từ phía sơ
cấp của máy biến áp thì PCC đƣợc xác định tại phía sơ cấp. Ngƣợc lại, nếu nhiều
khách hàng đƣợc cấp điện từ phía thứ cấp của máy biến áp thì PCC đƣợc xác định tại
phía thứ cấp. Hình 1.5 minh họa hai khả năng này. Chú ý rằng, khi phía thứ cấp của
máy biến áp là PCC thì các phép đo dòng điện có thể vẫn đƣợc thực hiện tại phía thứ
cấp. Các kết quả của phép đo phải đƣợc qui về phía sơ cấp của máy biến áp bằng tỷ số
biến áp và tác dụng của tổ đấu dây của máy biến áp lên các thành phần thứ tự không
phải đƣợc xem xét. Ví dụ nhƣ, máy biến áp đấu tam giác sẽ không cho phép các thành
phần dòng thứ tự không chạy vào hệ thống từ phía thứ cấp sang phía sơ cấp. Những
thành phần phía thứ cấp này sẽ đƣợc giữ lại trong cuộn tam giác sơ cấp. Vì thế các
thành phần thứ tự không (là các thành phần hài bội 3 cân bằng) đo đƣợc ở phía thứ cấp
sẽ không nằm trong sự đánh giá đối với PCC ở phía sơ cấp.