BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Minh Thư

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
ĐIỆN VÀ CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TSKH TRẦN ĐÌNH LONG

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, được tổng
hợp từ nhiều nguồn tài liệu, số liệu khác nhau có nguồn gốc rõ ràng. Từ đó vận dụng những kiến
thức đã được học và tiếp thu từ thực tế để hoàn thành công trình này, không sao chép của bất kz
luận văn nào trước đó.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này.

Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2014
NGUYỄN MINH THƯ
Khóa: CH 2012 - 2014


1.4.1. Độ méo điều hòa tổng THD (Total Harmonic Distortion) ......................... 19
1.4.2. Độ méo yêu cầu tổng TDD (Total Demand Distortion) ............................ 20
1.4.3. Hệ số ảnh hƣởng viễn thông................................................................... 21
1.4.4. Chỉ số V.T và I.T ..................................................................................... 22
1.5. Nhận xét ............................................................................................................ 22
Chƣơng 2: NGUYÊN NHÂN GÂY SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ...................... 23
2.1. Các nguồn phát sóng hài trong tải thƣơng mại (Commercial loads) .................. 24
2.1.1 Các loại đèn phóng điện .......................................................................... 24
2.1.2. Hệ chỉnh lƣu một pha .............................................................................. 25
2.1.3. Méo dạng sóng trên đầu ra một chiều của bộ chỉnh lƣu .......................... 28
2.2. Các nguồn phát sóng hài trong tải công nghiệp (Industrial loads) ...................... 28
2.2.1. Dòng từ hóa của máy biến áp ................................................................. 28
2.2.2. Máy biến áp bị quá kích thích ................................................................. 30
2.2.3. Đóng xung máy biến áp không tải ........................................................... 31
2.2.4. Máy điện quay ........................................................................................ 32
2.2.5. Thiết bị hồ quang .................................................................................... 33
2.2.6. Hệ chỉnh lƣu ba pha................................................................................ 35
2.2.7. Kháng điện điều khiển bằng tiristor (TCR) .............................................. 36
2.2.8. Các hệ điều áp xoay chiều ...................................................................... 39
2.3. Nhận xét ............................................................................................................ 40
Chƣơng 3: ẢNH HƢỞNG CỦA SÓNG HÀI VÀ THỰC TRẠNG SÓNG HÀI TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM .............................................................................. 42


3.1. Ảnh hƣởng của sóng hài ................................................................................... 42
3.1.1. Gây cộng hƣởng ..................................................................................... 42
3.1.2. Tăng tổn thất trên động cơ...................................................................... 44
3.1.3. Tăng mômen bậc cao gây rung trên máy điện quay................................ 44
3.1.4. Tăng tổn thất và giảm tuổi thọ máy biến áp............................................. 45
3.1.5. Tăng tổn thất trên tụ bù ........................................................................... 45

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc 3 ............................................... 11
Hình 1.2.

a. Dạng sóng với hài bậc lẻ ........................................................................... 12
b. Dạng sóng với hài bậc chẵn ...................................................................... 12

Hình 2.1. Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang .................................................... 24
Hình 2.2. Phân tích phổ của sóng hài trong đèn huỳnh quang ........................................ 25
Hình 2.3. Tải chỉnh lƣu một pha và dạng sóng dòng điện chỉnh lƣu ............................... 26
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn chuyển mạch SMPS........................................ 27
Hình 2.5. Dạng sóng dòng điện và phân tích phổ tần của bộ nguồn chuyển mạch SMPS
...................................................................................................................... 27
Hình 2.6. Quan hệ từ thông và dòng từ hóa trong lõi thép ............................................... 29
Hình 2.7. Quan hệ từ thông và dòng từ hóa khi có kể đến từ trễ ..................................... 29
Hình 2.8. Dòng từ hóa và các thành phần hài bậc cao theo điện áp................................ 31
Hình 2.9. Mật độ từ cảm trong lõi thép khi có và không có từ dƣ Br ................................ 31
Hình 2.10. Sóng hài gây ra bởi rãnh dây quấn ................................................................ 32
Hình 2.11. Đặc tính V-A của lò hồ quang ........................................................................ 33
Hình 2.12. Thành phần sóng hài trong dòng điện hồ quang ............................................ 34
Hình 2.13. Phân tích phổ của sóng hài trong lò hồ quang trong chế độ nấu chảy ........... 34
Hình 2.14. Phân tích phổ của sóng hài trong lò hồ quang trong chế độ tinh luyện ........... 34
Hình 2.15. Cấu trúc điển hình của SVC ........................................................................... 36
Hình 2.16. Cấu trúc điển hình của một TCSC.................................................................. 38
Hình 2.17. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên các phần tử của TCSC trong chế độ
khuếch đại điện dung .................................................................................... 38
Hình 2.18. Cấu trúc điều áp xoay chiều và dạng sóng điện áp pha trên tải với những góc
mở khác nhau ............................................................................................... 40
Hình 4.1. Bộ lọc thụ động nối tiếp.................................................................................... 55
Hình 4.2. Bộ lọc thụ động song song ............................................................................... 56

Bảng 4.1. Thống kê các tham số và mức độ vận hành trạm 220kV và 110kV tỉnh Nghệ An
và lân cận ..................................................................................................... 67
Bảng 4.2. Thống kê thông số đƣờng dây các tuyến đƣợc cấp nguồn từ trạm 220kV Nghi
Sơn Thanh Hóa và công suất thực tế tại các tuyến đƣờng dây (5/2009)....... 68
Bảng 4.3. Thống kê các tham số máy biến áp của trạm Nghi Sơn Thanh Hóa. ............... 69
Bảng 4.4. Thống kê các tham số máy biến áp của trạm Hoàng Mai. ............................... 69
Bảng 4.5. Thống kê các tham số máy biến áp cấp điện cho động cơ quay lò nung clinke71
Bảng 4.6. Thống kê tham số của Động cơ quay lò nung clinke (Tải phi tuyến)................ 71
Bảng 4.7. Các thông số yêu cầu của bộ lọc sóng hài bậc 11 cho xuất tuyến khảo sát .... 78
Bảng 4.8. Các thông số yêu cầu của bộ lọc sóng hài bậc 13 cho xuất tuyến khảo sát .... 80
Bảng 4.9. Các thông số yêu cầu của bộ lọc sóng hài bậc 23 cho xuất tuyến khảo sát .... 82
Bảng 4.10. Các thông số yêu cầu của bộ lọc sóng hài bậc 25 cho xuất tuyến khảo sát .. 84


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Minh Thư

MỞ ĐẦU

Ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20, các khái niệm về "chất lượng điện
năng" đã được đề cập và tranh luận, nó trở thành một vấn đề với nhiều luận điểm
gây tranh cãi, cho đến ngày nay vẫn còn nhiều bất đồng về việc sử dụng khái
niệm này, về cách định nghĩa và áp dụng nó.
Trong nhiều tài liệu của châu Âu và châu Mỹ, "chất lượng điện năng" được
hiểu là chất lượng của sản phẩm điện được nhà cung cấp phân phối cho các hộ sử
dụng. Còn các nhà chuyên môn thì đưa ra những nhận định của riêng mình.
Theo Roger.C.Dugan: Chất lượng điện năng là bất kỳ một vấn đề điện
năng nào thể hiện qua sai lệch của điện áp, dòng điện hay tần số dẫn đến các
thiết bị của người sử dụng bị hỏng hay hoạt động sai [1].

ta. Phân tích một số khảo sát về sóng hài trong hệ thống điện Việt Nam cho thấy sự
xuất hiện sóng hài trong hệ thống đa dạng, không ổn định, ảnh hưởng đáng kể đến
chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống điện. Vấn đề áp dụng các giải pháp giảm
sóng hài trong hệ thống là hết sức cần thiết, nhưng cũng là vấn đề rất phức tạp.
Nội dung của luận văn này đề cập đến các vấn đề về sóng hài, thống kê thực
trạng và số liệu khảo sát sóng hài trên lưới điện Việt Nam, giới thiệu các cơ sở lý
thuyết về sóng hài. Trên cơ sở đó, đề xuất và ứng dụng các biện pháp nhằm giảm
thiểu sóng hài nâng cao chất lượng điện năng. Những kết quả đạt được thông qua
việc khảo sát số liệu thực tế và tính toán áp dụng bộ lọc sóng hài bằng phần mềm
mô phỏng trên lưới điện thực tế tại nhà máy Xi măng Hoàng Mai, Tỉnh Nghệ An.
Nội dung của luận văn được giới thiệu trong bốn chương sau:
Chương 1: Vấn đề sóng hài trong hệ thống điện.
Chương 2: Nguyên nhân gây sóng hài trong hệ thống điện.
Chương 3: Ảnh hưởng của sóng hài và thực trạng sóng hài trong hệ thống điện
Việt Nam.
Chương 4: Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của sóng hài và ví dụ áp dụng.

- 10 -


Vấn đề sóng hài trong hệ thống điện

Luận văn Thạc sĩ

Chương 1
VẤN ĐỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Định nghĩa sóng hài và phân tích sóng hài
Các thiết bị điện nói chung hoạt động ở tần số 50Hz hoặc 60Hz (gọi là tần số
cơ bản). Tuy nhiên có một số loại tải mà khi hoạt động chúng tạo ra dòng điện hoặc


Hình 1.2. a. Dạng sóng với hài bậc lẻ
b. Dạng sóng với hài bậc chẵn

Chuỗi phân tích Fourier của một hàm có chu kỳ x(t) được biểu diễn bằng biểu
thức sau:

2πnt
2πnt 

x(t)=a 0 +  a n cos
+b n sin

T
T 
n=1 

- 12 -

(1.1)


Trong biểu thức này a0 là giá trị trung bình của hàm số x(t), các hệ số của
chuỗi an và bn là các thành phần vuông góc của hài bậc n. Vectơ hài bậc n tương ứng là:
A n φn =a n +jbn

(1.2)

Với biên độ: An  a 2n  b2n
Và góc pha là: n  arctan

T


n=1

 T/2
T/2

x(t)dt 

 T/2

(1.3)

Ta lấy tích phân từng số hạng vế phải
T/2



T/2
T/2
 
2nt
2nt 
dt

a
cos
dt


1
 x(t)dt
T  T/2

(1.5)

Tính hệ số an bằng cách nhân cả 2 vế phương trình (1.1) với cos

2mt
, với m
T

là một số nguyên dương bất kỳ. Sau đó lấy tích phân từ -T/2 đến T/2.
T/2





2mt
2πnt
2πnt  
2mt

dt   a 0 +  a n cos
+b n sin
dt
  cos
T
T

dt  b n  sin
cos
dt 
T
T
T
T
T
n 1 
 T/2
 T/2


- 13 -

(1.6)


Tính từng thành phần trong vế phải của công thức (1.6) như sau:
T/2



a0

cos

 T/2

2mt

b n  sin
cos
dt b n   sin
 sin
 dt 0
T
T
2
T
T

 T/2
 T/2
T/2

T/2

Khi m = n, thay vào công thức (1.6) ta có:
T/2



 T/2



2mt
2nt
2πnt
dt   x(t) cos

T/2



 T/2

dt 

an
T
2

(1.7)

2
2nt
x(t) cos
dt với n  1  

T  T/2
T
T/2

Vậy hệ số an được tính theo công thức: a n 

Tương tự, tính hệ số bn bằng cách nhân cả 2 vế phương trình (1.1) với
2
2nt
2mt
dt

T/2

4
T

T/2

 x(t) cos
0

 x(t) sin
0

2nt
dt
T
2nt
dt
T

Với n chẵn: an = 0; bn = 0.
Do đó với dạng sóng đối xứng nửa sóng chỉ chứa các hài bậc lẻ.
Các hệ số đặc trưng của sóng hài bao gồm:
- Tỷ số hài bậc n (U,I): Dn 

Un
U1

- Hệ số đỉnh (Crest factor): C 



6

6

2

7

5

5

11

3,5

13

Bậc

HA

TA

CA

3

5


2

2

1

> 21

19

1,5

1,5

23

1,5

25

h

Bậc

HA

TA

CA


0,2

0,2

0.2

8

0,5

0,2

0,2

0,2

0,2

0.2

10

0,5

0,2

0,2

1


0,1

hài h

hài h

>25
+25/h +25/h +25/h

1.2. Phân loại sóng hài
- Sóng hài và các thành phần đối xứng
Các sóng hài ở các tần số khác nhau sẽ có tính chất như các thành phần đối
xứng thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không.
Vah (t)  2Vh sin(h0 t  h )
Vbh (t)  2Vh sin(h0 t 

2h
 h )
3

- 16 -


Vbh (t)  2Vh sin(h0 t 

2h
 h )
3




h 1

h 1

Dòng điện tức thời: i(t)   i h (t)  2I h sin(h0 t  h )


T

Dòng điện hiệu dụng: Irms 

1
i(t)dt 
T 0

I
h 1

2
h

- Điện áp




h 1




Ph


h h
h
T 0
h 1
h 1
T

P

- Công suất phản kháng


1
q(t)dt

V
I
sin


Qh


h h
h

1.4.1. Độ méo điều hòa tổng THD (Total Harmonic Distortion)
Độ méo điều hòa tổng THD được xác định theo công thức:
h max

THD 

M
h 2

2
h

M1

Trong đó:
Mh: là biên độ của thành phần điều hòa bậc h.
M1: là biên độ của thành phần cơ bản.
Độ méo điều hòa tổng THD của sóng hài có thể áp dụng cho đồng thời cả
dòng điện và điện áp.
THDv đặc trưng cho sự méo dạng điện áp. Một số giá trị của THDv và hiện

tượng tương ứng trong mạng điện như sau:
- THDv  5% : mạng điện ở trạng thái bình thường, không có nguy cơ hư hỏng.
- 5%  THDv  8% : mạng điện nhiễm hài đáng kể, một số hư hỏng có thể xảy ra.
- THDv  8% : mạng điện nhiễm hài cao, hư hỏng rất dễ xảy ra. Yêu cầu phải
phân tích sâu hơn và lắp đặt mới các thiết bị đã xuống cấp.
Theo qui định tại các Thông tư số 12/2010/TT-BCT ban hành ngày 15 tháng 4
năm 2010 và Thông tư số 32/2010/TT-BCT ban hành ngày 30 tháng 7 năm 2010 thì
THDv tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn. Giới hạn độ méo sóng


THDi đặc trưng cho sự méo dạng dòng điện. Các thiết bị bị nhiễu được định vị

bằng cách đo THDi trên lộ vào và lộ ra cho các mạng khác nhau. Từ đó có thể theo
dõi được sóng hài trong thiết bị đó. Một số giá trị của THDi và hiện tượng tương
ứng trong mạng điện như sau:
- THDi  10% : mạng điện ở trạng thái bình thường, không có nguy cơ hư hỏng.
- 10%  THDi  50% : mạng điện nhiễm hài đáng kể với nguy cơ gia tăng nhiệt
độ và dẫn đến kết quả cần phải gia tăng kích thước các loại dây cáp và nguồn.
- THDi  50% : mạng điện nhiễm hài cao, hư hỏng rất dễ xảy ra. Yêu cầu phải
phân tích sâu hơn và lắp đặt mới các thiết bị đã xuống cấp.
Độ méo điều hòa tổng THD đặc trưng cho tỷ lệ phát nóng phụ (tăng tổn thất)
của dây dẫn khi đặt một điện áp không sin lên đường dây.
- Trị số hiệu dụng: Mrms 

h max

M
h 1

- Hệ số công suất:   cos  

2
h

 M1 1  THD2

P
P
 1
S U1I1

h

IL

Trong đó:
Ih: là biên độ dòng điện của thành phần điều hòa bậc h.
IL: là giá trị cực đại hoặc đỉnh của dòng tải yêu cầu tại tần số cơ bản. Nếu tải
đã có trong hệ thống từ trước thì IL là giá trị trung bình của dòng tải yêu cầu lớn
nhất của 12 tháng trước đây. Nếu tải mới thì IL được tính bằng cách ước lượng dựa
trên dữ liệu của tải.
1.4.3. Hệ số ảnh hưởng viễn thông
Hệ số ảnh hưởng viễn thông TIF (Telephone Influence Factor) là một chỉ số
được dùng để mô tả những tiếng ồn (nhiễu) có nguồn gốc từ sóng hài điện áp và
dòng điện trong hệ thống điện. TIF được điều chỉnh dựa trên độ nhạy của hệ thống
viễn thông và con người nghe âm thanh ở những tần số khác nhau. Hệ số ảnh hưởng
viễn thông TIF có thể áp dụng cho đồng thời cả dòng điện và điện áp. TIF được xác
định theo công thức:
h max

  w h .Vh 

TIFv =

h max

 w

2

h=1

h max

V.T =

  w h .Vh 

2

h=1

h max

và I.T =

 w

h

.I h 

2

h=1

Trong đó:
wh: là một trọng số tính toán của hiệu ứng âm thanh và cảm ứng ghép đôi tại
thành phần điều hòa bậc h.
Vh, Ih: là biên độ điện áp, dòng điện của thành phần điều hòa bậc h.
Như vậy ta có quan hệ: TIFv .Vrms = V.T và TIFi .Irms = I.T


đèn phóng điện cũng là nguyên nhân gây ra các ảnh hưởng méo dạng sóng đến các
thiết bị điện truyền thông, động cơ và máy biến áp.
Trong thời gian gần đây, sự gia tăng của các ứng dụng điện tử công suất nhằm
đạt được các yêu cầu về tính năng của thiết bị điện là lý do chủ yếu để phải quan tâm
đến méo dạng sóng. Nhìn từ phía nguồn, các hệ thống truyền động dùng biến tần
được cung cấp điện từ lưới thông qua bộ chỉnh lưu nên các đóng góp về méo dạng
điện áp gây ra bởi các bộ chỉnh lưu sẽ được quan tâm nhiều hơn. Các tải phía sau
biến tần (động cơ) sẽ nhận được điện áp điều biến độ rộng xung (PWM). Dạng điện
áp này cũng chứa nhiều thành phần sóng hài nên cũng cần xét đến.

- 23 -


2.1. Các nguồn phát sóng hài trong tải thương mại (Commercial loads)
Tải thương mại bao gồm: Khu văn phòng, bệnh viện, trung tâm mua sắm,
trung tâm internet ...v.v. Trong tải thương mại thường có nhiều đèn huỳnh quang
hiệu suất cao với các chấn lưu điện tử; các động cơ có thể điều chỉnh tốc độ cho
thiết bị nhiệt, các thiết bị thông gió, tải điều hòa nhiệt độ, thang máy; các thiết bị
điện tử được cung cấp bởi nguồn một pha. Các thiết bị này sinh ra sóng hài và được
tải phi tuyến kéo lưu chuyển vào mạng lưới phân phối.
Khi các tải làm việc sẽ tạo ra các dòng điều hòa nhỏ, các dòng điều hòa này sẽ
cộng thêm vào pha hoặc bỏ qua. Mức độ méo điện áp phụ thuộc vào trở kháng
mạch điện và độ méo dòng điều hòa tổng. Mặt khác, trở kháng của mạch điện bị chi
phối bởi máy biến áp đầu vào và trở kháng của đường dây. Bởi vậy để tính toán độ
méo điện áp thường sử dụng phương pháp xếp chồng dòng điện.
2.1.1 Các loại đèn phóng điện
Đèn phóng điện được sử dụng rất rộng rãi trong thương mại cũng như trong
chiếu sáng công nghiệp. Hầu khắp các hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng các
hệ đèn phóng điện công suất lớn như đèn phóng điện hơi thủy ngân, đèn Natri cao
áp, đèn phóng điện Metal Halide, đèn huỳnh quang, đèn huỳnh quang compact. Đèn

thời trên lưới (giá trị này gần đạt đỉnh cực đại). Việc nạp tụ xảy ra rất nhanh nên gây
ra một xung dòng điện tức thời rất nhọn.
Các hệ thống truyền thống sử dụng máy biến áp lõi sắt từ nhằm hòa hợp mức

- 25 -