ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ
XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN ĐIỆN ÁP KHÔNG ĐỐI XỨNG

Họ và tên học viên: Đỗ Văn Bảy
Chuyên ngành: Kỹ Thuật điều khiển và Tự động hóa
Người hướng dẫn khoa học:PGS- TS. Ngô Đức Minh

THÁI NGUYÊN, NĂM 2017


LUẬN VĂN THẠC SỸ

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG ...............................................................................3
Chương 1 .........................................................................................................................8
TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ................8
1.1 Tổng quan về sóng hài ............................................................................................... 8
1.1.1 Giới thiệu chung .................................................................................................8
1.1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện................................................12
1.1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao ..........................................................................18
1.2 Tổng quan về công suất phản kháng .......................................................................21
1.2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 21
1.2.2 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng ....................................................22
1.3 Kết luận chương 1 ...................................................................................................23
Chương 2 .......................................................................................................................24
CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI .....................................................................24

4.2.3 Xác định giá trị điện cảm L .............................................................................66
4.2.4 Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển .................................................68
4.2.5 Khâu tạo xung cho bộ nghịch lưu.....................................................................68
4.3 Mô phỏng hoạt động của bộ AF lọc với nguồn bể mạ ............................................72
4.3.1

Trường hợp điện áp lưới tại điểm kết nối là đối xứng..................................72

4.3.2 Trường hợp điện áp tại điểm nối giữa mạch lọc và lưới là không đối xứng ....79
4.3.3 Nhận xét ............................................................................................................83
4.4. Kết luận...................................................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................84

3


LUẬN VĂN THẠC SỸ
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1. 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng ........................................................8
Hình 1. 2 Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3 ..........................................................8
Hình 1. 3 Phân tích Fn thành an và bn ...........................................................................10
Hình 1. 4 Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha ...................11
Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha ........................................................13
Hình 1. 6 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển ..........13
Hình 1. 7 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha ........................................................... 14
Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển .............................. 14
Hình 1. 9 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ............14
Hình 1. 10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển .............................. 15
Hình 1. 11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển .................................15
Hình 1. 12 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi  = 300 ....................................16

cực..................................................................................................................................40
4


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Hình 3. 15 Cấu trúc điêu khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích
cực..................................................................................................................................40
Hình 3. 16 Phương pháp FFT .......................................................................................42
Hình 3. 17 Thuật toán xác định dòng bù trong khung tọa độ dq ..................................43
Hình 3. 18 Thuật toán lựa chọn các sóng hài cần bù trong hệ dq ................................ 44
Hình 3. 19 Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời .....................................47
Hình 3. 20 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực ........................... 49
Hình 4. 1 Sơ đồ hệ thống bể mạ ....................................................................................52
Hình 4. 2 Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng .................................................................52
Hình 4. 3 Giải pháp bù sát cục bộ phụ tải.....................................................................53
Hình 4. 4 Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ .....................................................................54
Hình 4. 5 Mô hình hệ thống điêu khiển bể mạ .............................................................. 55
Hình 4. 6 Nguồn xoay chiều 3 pha ................................................................................55
Hình 4. 7 Mô hình mạch lực của tải phi tuyến .............................................................. 56
Hình 4. 8 Mô hình khâu điều áp xoay chiều 3 pha ........................................................56
Hình 4. 9 Mô hình tải bể mạ .......................................................................................... 57
Hình 4. 10 Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ .............................................57
Hình 4. 11 Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải .......................................................... 58
Hình 4. 12 Khối tính toán công suất..............................................................................58
Hình 4. 13 Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha .............................................59
Hình 4. 14 Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha .................................................59
Hình 4. 15 Mô hình khối hiển thi tham số .....................................................................59
Hình 4. 16 Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải ................................................................ 60
Hình 4. 17 Dòng điện phía nguồn cấp cho tải .............................................................. 60
Hình 4. 18 Dòng điện nguồn pha A ...............................................................................60

Hình 4. 45 Công suất nguồn trước và sau khi mạch lọc tác động ................................ 76
Hình 4. 46 Công suất mạch lọc trước và sau khi tác động ...........................................77
Hình 4. 47 Hệ số công suất sau khi mạch lọc tác động ................................................77
Hình 4. 48 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động .....................77
Hình 4. 49 Phân tích FFT Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động ..........78
Hình 4. 50 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động .....................78
Hình 4. 51 Điện áp nguồn không đối xứng ..................................................................79
Hình 4. 52 Dòng điện nguồn trong trường hợp điện áp nguồn không đối xứng...........79
Hình 4. 53 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A ........................................................79
Hình 4. 54 Cấu trúc mạch PLL .....................................................................................80
Hình 4. 55 Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù .......................................................80
Hình 4. 56 Dòng điện nguồn sau khi lọc dùng PLL ......................................................81
Hình 4. 57 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A ........................................................81
Hình 4. 58 Nối ghép tụ của mạch lọc ............................................................................83
Bảng 4. 1 Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn .......................62
Bảng 4. 2 Biến thiên dòng điện với các thành phần sóng hài .......................................67
Bảng 4. 3 Giá trị các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn……………………..75

6


LUẬN VĂN THẠC SỸ
LỜI NÓI ĐẦU
Trong hệ thống điện, các nhà máy, xí nghiệp, liên doanh công nghiệp đã trở thành
những khách hàng chính (gọi là phụ tải công nghiệp) tiêu thụ phần lớn lượng điện năng
trong hệ thống điện. Các hoạt động sản xuất của phụ tải công nghiệp đòi hỏi chất lượng
điện năng cung cấp cao và đạt các chuẩn quốc tế. Đặc biệt, trong đó một chỉ tiêu quan
trọng là tiêu chuẩn về sóng hài – Được đề cập lần đầu tiên tại Việt Nam năm 2010 [1]
Trước đó, các tài liệu giảngdạy ở Việt nam chưa đề cập tiêu chuẩn sóng hài trong các
chỉ tiêu đánh giá điện năng. Có rất nhiều nguyên nhân phát sinh sóng hài trong hệ thống

7


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1.1 Tổng quan về sóng hài
1.1.1 Giới thiệu chung
Hoạt động của hệ thống điện đó là một quá trình cân bằng giữa tổng công suất phát
và công suất thu. Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủ đạo là các nhà
máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần số cơ bản 50Hz (hoặc (60) Hz
đối với một số nước như Mỹ, Nhật...). Ngược lại, thu công suất thuộc về phía hộ tiêu thụ
hay còn gọi là tải với nhiều loại hình khác nhau là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các
thành phần không sin trong hệ thống điện. Nói một cách khác là các sóng hài bậc cao
(bội số của tần số cơ bản) được sinh ra ngoài mong muốn.
Theo phân tích Fourier, một sóng dòng điện hay điện áp hình sin khi bị méo dạng
tương đương với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, còn lại là các thành phần
sóng hài bậc cao. Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ thuộc vào độ méo dạng so với
ban đầu. Hiện nay các sóng hài bậc cao được nhiều người đặt cho tên gọi là sóng hài.

Hình 1. 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng

Song hai h1, h2,h3

400

200

0


không:


Thành phần thứ tự thuận gồm: các sóng hài bậc h1, h7, h10…

Song dien ap h1, h7,h10

400

200

0

-200

-400

0.005

0.01

0.015

0.02
Time (s)

0.025

0.03


0.01

0.015

0.02
Time (s)

0.025

0.03

 Thành phần thứ tự không gồm: các sóng hài bậc h3, 9, 12

400

Song dien áp h3, h9,h12



0

200

0

-200

-400

0

: giá trị trung bình
2
Fn : biên độ của sóng hài bậc n trong chuỗi Fourier
Fsin
 ωt+ψ1  : thành phần sóng cơ bản
1
Fn sin  nωt+ψ n  : thành phần sóng hài bậc n

ψ n : góc pha của sóng hài bậc n
Từ (1.1) có thể viết thành:
Fn sin  nωt+ψn  =Fn (sinnωt.cosψn +sinψn .cosnωt)

Nếu quy ước:

Fnsinψn =bn

Fn cosψn =a n
Im
Fn
bn
yn
an

Re

Hình 1. 3 Phân tích Fn thành an và bn
Từ đó có thể viết được như sau:

f  ωt  =


FFT window: 5 of 40 cycles of selected signal
50
0
-50
0.4

0.42

0.44
0.46
Time (s)

0.48

Fundamental (50Hz) = 50.8 , THD= 15.22%

Mag (% of Fundamental)

14
12
10
8
6
4
2
0

0

50




Hệ số méo dạng dòng điện
11


LUẬN VĂN THẠC SỸ


I
THD=

2
n

n=2
2
1

I

Trong đó :
I1 là biên độ thành phần dòng cơ bản
In là biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n
 Hệ số méo dạng điện áp


U
THD=

3. Thiết bị điện tử công suất
Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay
chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET,
IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến gây sóng hài bậc cao.
Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài sinh ra khác nhau. Các
mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản,
rẻ, chắc chắn nhưng sản sinh nhiều sóng hài. Để giảm bớt sóng hài có thể dùng hai mạch
chỉnh lưu cầu ba pha ghép lai với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh
lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung.
Ví dụ sóng hài gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:
Chỉnh lưu cầu một pha: Giả sử xét với tải có tính cảm
D1

Ia

D3

Load
D4

D6

Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha
Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu:
40

Current (A)

-



13


LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hình 1. 7 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha
Chỉnh lưu cầu ba pha: các van bán dẫn có thể là GTO, diode, thyristor…

-

Trường hợp chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:

Ia

D1

D3

D5
Load

D4

D6

D2

Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lưu:


Time (s)

Hình 1. 9 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

14


LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hình 1. 10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn THD=28,52
%. Các thành phần sóng hài này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra. Trong
đó các thành phần sóng hài bậc 5, 7, 11 là chủ yếu.
Đối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển, Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu
ba pha có điều khiển như hình 1.11. Các kết quả mô phỏng cho ảnh hưởng đến dòng phía
nguồn (đầu vào chỉnh lưu) như sau:

Ia

T1

T3

T5
Load

T4

T6



LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hình 1. 15 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi  = 900
Từ phân tích ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha ta thấy khi thay đổi, góc góc điều
khiển tăng thì các thành phần sóng hài bậc cao sinh ra càng lớn làm độ méo dòng điện
càng tăng.
-

Các đèn huỳnh quang.

Ngày nay các đèn huỳnh quang được sử dụng rộng rãi do có ưu điểm là tiết kiệm
được chi phí. Tuy nhiên sóng hài bậc cao sinh ra bởi đèn huỳnh quang cũng rất lớn.
-

Các thiết bị hồ quang.

Các thiết bị thường gặp trong hệ thống điện là các lò hồ quang công nghiệp. Theo
thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng hài bậc cao đầu ra biến thiên rất lớn ví
dụ như sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và
2% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời gian tinh luyện.
1.1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao
Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền
tải điện. Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng. Nói
chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách điện, làm tăng

18






I

2
n

= I02 +I12 +I 22 +...

n=0

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hay điện áp tăng do
sóng hài bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề:
- Tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện. Gây ảnh hưởng đến độ bền cách
điện của vật liệu
- Giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện.
- Các sóng hài bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm
tăng nhiệt độ máy biến áp và tăng tổn thất điện năng.
- Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo momen, giảm hiệu suất
máy, gây tiếng ồn, các sóng hài bậc cao còn 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.
- Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ ( tác động sai): các sóng hài
bậc cao có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nháy, tác động
ngược, có thể làm méo dạng điện áp, dòng điện dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai
lệch.
- Với các thiết bị đo: ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo
bị sai lệch.
- Với tụ điện: làm cho tụ bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá
hủy chất điện môi.


Nhiễu điện áp tổng cộng
các loại sóng hài THD
(%)
5,0
2,5
1,5

Bảng 1. 2 Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current Distortion
Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV)
(IEEE std 519, Recommend Practices for Individual Comsumer)

Nhiễu dòng điện tối đa(% của Itải )(max.Harmonic Current Distortion)
Tỷ số ngắn
mạch (SCR=I SC
h


LUẬN VĂN THẠC SỸ
Bảng 1. 3 IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc)
(Cho thiết bị trên 75A dòng đầu vào mỗi pha)
Dòng điều hoà có thể
I
chấp nhận được n (%)
I1
19
9,5
6,5
3,8
3,1
2,0
0,7

Bậc sóng
hài (n)
3
5
7
9
11
13
15

Bậc sóng hài
(n)
19


P Q
2

2

Hình 1. 16 Quan hệ giưa các thành phần công suất trên đồ thị vectơ
Trong đó:
- P là công suất tác dụng được biến thành công hữu ích như cơ năng, quang năng,
nhiệt năng…
- Q là công suất để từ hoá và tạo ra từ thông tản trong các máy điện xoay chiều,
nó không sinh công. Quá trình chao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện
và hộ dùng điện là một quá trình dao động. Mỗi chu kì của dòng điện, Q đổi chiều
4 lần, cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không đòi hỏi tiêu tốn năng lượng
của động cơ sơ cấp kéo máy phát điện. Mặt khác công suất phản kháng cung cấp
cho các hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn điện. Vì vậy, để tránh
truyền tải một lượng Q khá lớn, người ta đặt gần hộ tiêu thụ điện các thiết bị phát
ra công suất phản kháng (tụ điện tĩnh, máy bù đồng bộ) để cung cấp trực tiếp cho
phụ tải, làm như vậy được gọi là bù công suất phản kháng. Khi có bù công suất phản
21


LUẬN VĂN THẠC SỸ
kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch nhỏ đi tương ứng cos của
mạng được nâng lên.
Giữa P, Q, cos có quan hệ với nhau theo biểu thức tính góc :
  arctg

Q
P

công suất do công suất phản kháng gây ra, P(Q).


Giảm được tổn thất điện áp U trong mạng:
Biểu thức tính tổn thất điện áp được tính như sau:
U 

PR  QX P
Q
 R  X  U ( P )  U ( Q )
U
U
U

khi giảm được Q truyền tải trên đường dây (trong mạng) sẽ giảm được thành
phần tổn thất điện áp do công suất phản kháng gây nên, U(Q) .


Tăng được khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát
nóng, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Trong khi đó dòng điện chạy
trên đường dây và máy biến áp được tính như sau:
I

S
3.U




rộng khác nhau tùy theo yêu cầu cụ thể. Có nhiều cấu trúc và nguyên lý làm việc hay
điều khiển để đạt được mục tiêu này.
2.2 Các phương pháp lọc sóng hài
Theo nguyên lý làm việc, có hai loại bộ lọc cơ bản là:
1- Bộ lọc chủ động (ative filters)
2- Bộ lọc thụ động (passive filters)
3- Kết hợp ưu điểm của hai loại trên ta có bộ lọc hỗn hợp
2.2.1 Bộ lọc thụ động
Các phần tử chính tham gia cấu tạo nên bộ lọc thụ động bao gồm các phần tử tĩnh
R, L, C. Tùy theo số phần tử và cách đấu nối sẽ có được các cấu trúc bộ lọc khác nhau,
dải thông theo yêu cầu.
Trong sơ đồ lọc ba pha có hai loại bộ lọc là bộ lọc RC và bộ lọc LC. Trong cả hai
loại bộ lọc này đều có tụ điện, tụ điện có thể mắc hình tam giác hoặc hình sao.
- Khi tụ điện hình đấu sao có ưu điểm là tiết kiệm dung lượng tụ, nhưng không lọc
được hết sóng hài điện áp dây.
- Khi tụ điện đấu hình tam giác có dung lượng tăng lên 3 lần, lọc được sóng hài cả
điện áp dây và điện áp pha và đặc biệt trong mạng có trung tính thì có thể lọc được cả
thành phần thứ tự không do chuyển mạch van bán dẫn sinh ra.

24


LUẬN VĂN THẠC SỸ
1. Bộ lọc RC
Cấu trúc của bộ lọc RC như hình 2.1
R
Output

Input