1

ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ðH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


ðỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI CUNG CẤP
VÀ PHÂN PHỐI ðIỆN



Học Viên: Phạm Thi Thu Thuỷ
Lớp: TðH – K13
Ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy ñiện

Người HD Khoa học : PGS.TS. Nguyễn Như Hiển

Ngày giao ñề tài:
Ngày hoàn thành ñề tài
:

KHOA SAU ðẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN

2

LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan luận văn này là công trình là do tôi tự làm và nghiên cứu,
trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như ñã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Tác giả luận văn



Phạm Thị Thu Thuỷ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3

MỤC LỤC


Trang

Lời cam ñoan
1

Mục lục
2

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
5

Danh mục các bảng biểu
8


Danh mục các hình vẽ và ñồ thị
9

Mở ñầu
13

Chương 1. Tổng quan về sóng ñiều hoà và bù công suất lên lưới
15


1.1 ðặt vấn ñề 15


1.2 Tổng quan về sóng ñiều hòa 16



1.2.1 Ảnh hưởng của sóng ñiều hòa bậc cao và quy ñịnh giới
hạn thành phần sóng ñiều hòa bậc cao trên lưới ñiện
19



1.2.2 Một số nguồn tạo sóng ñiều hòa bậc cao trong công
nghiệp
22


1.3 Tổng quan về công suất phản kháng 26



1.3.1 Giới thiệu chung 26



1.3.2 Một số biện pháp nâng cao hệ số công suất (bù công
suất phản kháng)
27


1.3.3 Hiệu quả của việc nâng cao hệ số công suất 28


1.4 Kết luận chương 1 29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
Chương 2. Lọc sóng ñiều hoà bậc cao và bù công suất lên lưới
30


2.1 Bộ lọc sóng ñiều hòa bậc cao 30


2.1.1 Bộ lọc thụ ñộng [9] 30


2.1.2 Bộ lọc chủ ñộng (bộ lọc tích cực) [6, 7, 8, 9, 11] 34



2.2 Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực 36


2.2.1 Phân loại theo sơ ñồ 36


2.2.2 Phân loại theo nguồn cấp 39


2.2.3 Phân loại theo bộ biến ñổi công suất 41


2.3 Bộ lọc hỗn hợp 42


2.4 Các thiết bị bù công suất phản kháng 43


2.4.1 Tụ ñiện tĩnh 43


2.4.2 Máy bù ñồng bộ 44


2.4.3 Một số thiết bị bù trong FACTS [11] 44


2.5 Nguyên lý làm việc của thiết bị bù tích cực 49



2.6 Kết luận chương 2 51

Chương 3. Thiết kế bộ lọc tích cực cho tải phi tuyến của lưới ñiện
phân phối
52


3.1 ðặt vấn ñề 52


3.2 Lý thuyết về phương pháp lọc tích cực 52


3.2.1 Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền tần số 52


3.2.2 Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian 54


3.3 Mô hình tải phi tuyến 59


3.4 Cấu trúc của bộ lọc tích cực 60


3.4.1 Cấu trúc ñiều khiển 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5



3.4.2 Khâu tạo xung SVM (Space vector modulation method)
[1]
66


3.5 Kết luận chương 3 72

Chương 4. Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống
73


4.1 Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [4]

73


4.1.1 Nguồn xoay chiều 3 pha 73


4.1.2 Bộ lọc tích cực 73


4.1.3 Khâu tính toán ñộ méo dạng (THD) 79


4.1.4 Khâu lấy tín hiệu ño dòng ñiện và ñiện áp ba pha 80


4.1.5 Khâu ño dòng ñiện, ñiện áp 80



4.2 Sơ ñồ mô phỏng 80


4.3 Kết quả mô phỏng 84


4.3.1 Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực 84


4.3.2 Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực 85


4.4 Kết luận chương 4 89

Kết luận và kiến nghị 90

Tài liệu tham khảo 91








Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT


Các ký hiệu:
STT

Ký hiệu Diễn giải nội dung ñầy ñủ
1 f Tần số lưới ñiện
2 f
(t)
Hàm chu kỳ không sin
3 U
1
Biên ñộ thành phần ñiện áp ñiều hoà cơ bản
4 U
n
Biên ñộ thành phần ñiện áp ñiều hoà bậc n
5 I
1
Biên ñộ thành phần dòng ñiện ñiều hoà cơ bản
6 I
n
Biên ñộ thành phần dòng ñiện ñiều hoà bậc n
7 PF Hệ số công suất
8 p

Công suất tác dụng tức thời
9 q

Công suất phản kháng tức thời
10 P


Công suất tác dụng
11 Q

Công suất phản kháng
12 R ðiện trở lọc
13 L

ðiện cảm lọc
14 C ðiện dung lọc
15 i
S
Dòng ñiện nguồn
16 i
L
Dòng ñiện lưới phía tải (dòng tải)
17 i
F
Dòng ñiện chạy qua bộ lọc
18 U
s
ðiện áp nguồn
19 U
h
ðiện áp thành phần ñiều hoà bậc cao
20 U
F
ðiện áp thành phần cơ bản
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
21 u

0
, u
α
, u
β
ðiện áp biểu diễn trên hệ trục αβ
22 u
a
, u
b
, u
c
ðiện áp biểu diễn trên hệ trục abc
23 i
a
, i
b
, i
c
Dòng ñiện biểu diễn trên hệ trục abc
24 i
0
, i
α
, i
β
Dòng ñiện biểu diễn trên hệ trục αβ
25 u
d
, u

q
ðiện áp biểu diễn trên hệ trục dq
26 i
d
, i
q
Dòng ñiện biểu diễn trên hệ trục dq
27
ω
Tần số góc nguồn ñiện
28 U
dc
ðiện áp 1 chiều
29 S Công suất biểu kiến
30 ,

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành
phần dòng 1 chiều
31
Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành
phần dòng xoay chiều
32 T

Chu kỳ dòng ñiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Các chữ viết tắt
STT


Ký hiệu Diễn giải nội dung ñầy ñủ
33 CSPK Công suất phản kháng
34 CSTD Công suất tác dụng
35 THD Hệ số méo dạng
36 SVC ðóng ngắt bằng Thyristor
37 DC Một chiều
38 AC Xoay chiều
39 AF
n
Bộ lọc tích cực song song
40 AF
S
Bộ lọc tích cực nối tiếp
41 FACTS Hệ thống truyền tải ñiện linh hoạt - Flexible AC
Transmission
42 SSSC Static Synchronous Series Controllers
43 TCSC Thyristor Controlled Series Compensation
44 TSC Thyristor Switched Capacitor):
45 TSR Thyristor Switched Reactor
46 TCR Thyristor controller Reactor
47 DFT Discrete Fourier Transform
48 FFT Fast Fourier Transform
49 PLL Phase locked loop
50 SVM Space vector modulation method
51 ðCVTKG ðiều chế véc tơ không gian


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU


Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang
1.1 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu ñiện áp 20
1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng ñiện 21
1.3 IEC 1000-3-4 21













Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ

Số
hiệu
Nội dung
Trang

1.1

a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ
không sin)
16

1.2 Các thành phần sóng ñiều hòa 17

1.3 Phân tích F
n

thành a
n
và b
n
18

1.4 Phổ của các thành phần ñiều hòa 18

1.5 Mô hình chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha 22

1.6 Dòng ñiện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha 22

1.7 Chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha, dạng dòng ñiện và phổ 23

1.8 Mô hình chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha 23

1.9 Dòng ñiện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha 24

1.10 Chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha, dạng dòng ñiện và phổ 24

1.11 Chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha 25


1.12 Dạng dòng ñiện i
A
và phổ 25

2.1 Bộ lọc RC 31

2.2 Bộ lọc LC 31

2.3 Sơ ñồ mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ lọc thụ ñộng 32

2.4
ðáp ứng dòng, áp tại vị trí B1 và B2 khi chưa có bộ lọc
thụ ñộng
32

2.5 Phổ ñiện áp tại B1 và B2 33

2.6 Sơ ñồ mô phỏng hệ thống khi có bộ lọc thụ ñộng 33

2.7 Phổ ñiện áp tại B1 34

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
2.8 Bộ lọc tích cực song song 36

2.9 Cấu trúc bộ lọc song song 37

2.10 Bộ lọc tích cực nối tiếp 38


2.11 Sơ ñồ nguyên lý AFS 39

2.12 Bộ lọc tích cực 3 dây 39

2.13 Bộ lọc tích cực 4 dây có ñiểm giữa 40

2.14 Bộ lọc tích cực 4 dây 40

2.15 Cấu trúc VSI 41

2.16 Cấu trúc CSI 41

2.17
Cấu trúc bộ lọc hỗn hợp với bộ lọc tích cực có 2 loại: a)
song song và b) nối tiếp
42

2.18 Cấu trúc UPQC 43

2.19 Cấu trúc SSSC 45

2.20 Cấu trúc TCSC 46

2.21 Cấu trúc SVC 47

2.22 Cấu trúc Stacom 48

2.23 Sơ ñồ nguyên lý hoạt ñộng của Statcom 48

2.24 Nguyên lý bù của bộ bù tích cực 49


2.25 Trạng thái hấp thụ công suất của bộ bù 50

2.26 Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù 51

3.1 Hình 3.1: Phương pháp FFT 54

3.2 Thuật toán xác ñịnh dòng bù trong hệ dq 55

3.3 Thuật toán lựa chọn sóng ñiều hòa cần bù trong hệ dq 56

3.4 Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết 56

3.5 Tải phi tuyến 60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
3.6 Thông số của bộ chỉnh lưu 60

3.7 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển của bộ lọc 61

3.8 Sơ ñồ mạch lực của bộ lọc 61

3.9 Sơ ñồ mạch lực của bộ lọc 61

3.10
Lưu ñồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q
65

3.11 Thực hiện véc tơ u

s
bất kỳ bằng 2 vector ñiện áp chuẩn

67

3.12
Biểu ñồ xung của vector ñiện áp thuộc góc phần tư thứ
nhất S
1

68

3.13
Biểu ñồ xung của vector ñiện áp thuộc góc phần tư thứ
nhất S
2

68

3.14
Biểu ñồ xung của vector ñiện áp thuộc góc phần tư thứ
nhất S
3

68

3.15
Biểu ñồ xung của vector ñiện áp thuộc góc phần tư thứ
nhất S
4


69

3.16
Biểu ñồ xung của vector ñiện áp thuộc góc phần tư thứ
nhất S
5

69

3.17
Biểu ñồ xung của vector ñiện áp thuộc góc phần tư thứ
nhất S
6

69

4.1 Khối nguồn ba pha 73

4.2 Bộ biến ñổi của bộ lọc 73

4.3 Thông số của bộ biến ñổi 74

4.4 Mạch ñiều khiển của bộ lọc 74

4.5
Chuyển hệ toạ

ñộ từ abc -> αβ
75


4.6
Khâu tính công suất pq
76

4.7
Khâu loại bỏ thành phần công suất p cơ bản
76

4.8
Khâu tính toán dòng bù pq
77

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
4.9
Khâu chuyển tọa ñộ αβ sang abc
77

4.10 Khâu chọn sectơ

78

4.11 Chọn các véc tơ 79

4.12 Khâu tính toán ñộ méo dạng 79

4.13 Khâu lấy tín hiệu 80

4.14 Khâu ño dòng ñiện, ñiện áp 80


4.15 Sơ ñồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới ñiện phân phối
cho tải phi tuyến khi chưa có bộ lọc tích cực
82

4.16 Sơ ñồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới ñiện phân phối
cho tải phi tuyến khi có bộ lọc tích cực
83

4.17 Dạng dòng ñiện nguồn 84

4.18 Phân tích phổ và THD của dòng ñiện nguồn 84

4.19 Dạng dòng ñiện 3 pha trước khi bộ lọc tác ñộng 85

4.20 Dạng dòng ñiện 3 pha khi có bộ lọc tác ñộng 86

4.21 Dạng dòng ñiện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác ñộng

86

4.22 Dạng dòng ñiện khi có bộ lọc tác ñộng xét tại thời ñiểm
từ 0,5 ñến 0,6s
86

4.23 Phân tích phổ của dòng ñiện pha A khi có bộ lọc tác ñộng 87

4.24 Công suất phản kháng của hệ thống 87

4.25 Hệ số công suất cosφ 88







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
MỞ ðẦU

Với sự phát triển không ngừng của ñất nước. ðiện năng cung cấp cho
phụ tải không chỉ phải ñảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng ñiện năng
cũng phải ñược ñảm bảo. Trong ñiều kiện vận hành, truyền tải ñiện năng, do
trên lưới có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các thành phần
sóng ñiều hòa bậc cao. Các thành phần sóng ñiều hòa bậc cao này gây ra
nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất,
ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng ñiện, làm giảm chất lượng ñiện năng Do
ñó, các thành phần dòng ñiều hòa bậc cao trên lưới phải ñảm bảo một số tiêu
chuẩn giới hạn các thành phần ñiều hòa bậc cao.
Giải pháp ñể hạn chế sóng ñiều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp
khác nhau, một trong số ñó là sử dụng bộ lọc tích cực và bù công suất phản
kháng. Bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng dựa trên thiết bị ñiện tử
công suất và ñiều khiển ñể thực hiện nhiều chức năng khác nhau.
Từ những ñánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên
cứu phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực ñể cải thiện chất lượng lưới ñiện
cung cấp cho các phụ tải.
Trong thời gian qua ñã có một số công trình nghiên cứu về lĩnh vực này
và ñã có những kết quả nhất ñịnh. Trong khuôn khổ ñề tài này, em ñưa ra
thuật toán thiết kế dựa trên lý thuyết p-q ñể thiết kế tích hợp bộ lọc tích cực có
bù công suất phản kháng nhằm ñánh giá tính khả thi của việc áp dụng phương

pháp này ñể cải thiện chất lượng của hệ thống lưới ñiện. Sau ñó ñược kiểm tra
tính ñúng ñắn của các thuật toán trên hệ thống mô phỏng Matlab/Simulink.
Nội dung của ñề tài ñược chia làm 4 chương:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
Chương 1: Tổng quan về sóng ñiều hòa và bù công suất lên lưới
Chương 2: Lọc sóng ñiều hòa bậc cao và bù công suất lên lưới
Chương 3: Thiết kế bộ lọc tích cực cho tải phi tuyến của lưới ñiện phân phối.
Chương 4: Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống
Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù ñược sự hướng dẫn tận
tình của thầy hướng ñẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân tác giả cũng
cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình ñã nghiên cứu, công bố
trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi
ñược các thiếu sót. Tác giả rất mong nhận ñược những ý kiến ñóng góp và
nhận xét ñánh giá quí báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa
học quan tâm và ñồng nghiệp ñể luận văn hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới sự sự hướng dẫn tận tình và chu
ñáo của thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng các thầy, cô giáo,
bạn bè ñồng nghiệp v.v sự giúp ñỡ về chuyên môn và các tài liệu của các
thầy, cô ñã làm cho em có ñược một luận văn hoàn chỉnh và sâu sắc.
Em xin chân thành cảm ơn Khoa Sau ñại học, Ban giám hiệu trường ðại
học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất về
mọi mặt ñể em hoàn thành khóa học.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 01 năm 2013
Người thực hiện

Phạm Thị Thu Thuỷ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ SÓNG ðIỀU HÒA VÀ BÙ CÔNG SUẤT LÊN LƯỚI

1.1 ðặt vấn ñề
Ngày nay, các thiết bị ñiện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công
nghiệp ngày càng ña dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, kéo theo
ñó là yêu cầu nâng cao khả năng ñáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ
thống cung cấp ñiện.
Ta biết rằng, ñiện năng truyền tải trong hệ thống cung cấp ñiện thông qua
việc sử dụng một sóng ñiện từ có tần số 50 Hz hoặc 60 Hz, gọi là sóng cơ bản.
Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân: Sự cố ñường dây, các phụ tải
như: tải lò nung, tải bể ñiện phân, tải bể mạ… làm cho trong hệ thống cung
cấp ñiện tồn tại các sóng ñiện từ có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ
bản. Các sóng này gọi chung là sóng ñiều hòa bậc cao.
Sự tồn tại của các sóng ñiều hòa bậc cao trong hệ thống ñiện gây ảnh
hưởng không tốt tới các thiết bị ñiện và ñường dây truyền tải. Chúng gây ra
hiện tượng: quá áp, méo ñiện áp lưới và dòng ñiện, tổn thất ñiện năng, quá
nhiệt cho các phụ tải, giảm chất lượng ñiện năng và gián ñoạn cung cấp ñiện.
Vấn ñề ñặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng ñiều hòa bậc cao ra khỏi
hệ thống ñiện. Các thiết bị ñược sử dụng ñể loại bỏ sóng ñiều hòa bậc cao gọi
là các bộ lọc.
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong sản
xuất công nghiệp. ðề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực,
ñảm bảo các yêu cầu ñặt ra về chất lượng ñiện năng cho lưới cung cấp và phân
phối ñiện ñến phụ tải.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-100

-50
0
50
100
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-100
-50
0
50
100
1.2 Tổng quan về sóng ñiều hòa
Chúng ta biết rằng, các dạng sóng ñiện áp hình sin ñược tạo ra tại các nhà
máy ñiện, trạm ñiện lớn có chất lượng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía
phụ tải, ñặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng.
Khi ñó dạng sóng không còn dạng sin [9, 10].

















Hình 1.1: a)

Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin)
Sóng chu kỳ không sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng ñiều
hoà mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản.

Với ñiều kiện vận hành cân bằng các sóng ñiều hòa bậc cao có thể chia
thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không:
-

Thành phần thứ tự thuận: các sóng ñiều hòa bậc 4, 7, 11…
-

Thành phần thứ tự nghịch: các sóng ñiều hòa bậc 2, 5, 8…
-

Thành phần thứ tự không: các sóng ñiều hòa 3, 6, 9…
Khi xảy ra trường hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng ñiều
a)
b)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
hòa có thể bao gồm một trong ba thành phần trên.
Sóng ñiều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới ñiện nên
cần phải chú ý khi tổng sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao lớn hơn mức ñộ cho
phép. Sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao là dòng ñiện có tần số bằng bội số
nguyên lần tần số cơ bản.
Thí dụ: Ta có dòng ñiện với tần số 150(Hz) tồn tại trên lưới làm việc với
tần số 50(Hz), suy ra ñây là dòng ñiều hòa bậc 3 và dòng 150(Hz) này là

dòng không sử dụng ñược với các thiết bị làm việc trên lưới 50(Hz). Vì vậy
nó sẽ chuyển thành dạng nhiệt năng và gây tổn hao.

Hình 1.2: Các thành phần sóng ñiều hòa

ðể phân tích sóng chu kỳ không sin thành các sóng ñiều hoà, ta sử dụng
chuỗi Fourier với chu kỳ T(s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz) hoặc

ω = 2πf
(rad/s), có thể biểu diễn một sóng chu kỳ không sin
f(t)
theo Fourier như
biểu thức sau:
(1.1)
Trong ñó :
: Giá trị trung bình
F
n
: Biên ñộ của sóng ñiều hòa bậc n trong chuỗi Fourier

Thành phần sóng cơ bản

Thành phần sóng cơ bản
f(t)
Thành phần cơ bản
Thành phần bậc 5
1.5
1
0.5
0

-0.5
-1
-1.5
Thành phần bậc 7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
0 5 10 15 20
0
2
4
6
8
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 1205 , THD= 8.40%
Mag (% of Fundamental)
:
Góc pha của sóng ñiều hòa bậc n
Ta có thể viết như sau:

(1.2)

Ta quy ước:









Khi ñó ta có thể viết như sau:
(1.3)
Thí dụ phổ của sóng ñiều hòa bậc cao ñược thể hiện như sau [4, 5]:









Hình 1.4: Phổ của các thành phần ñiều hòa

Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan
trọng nhất dùng ñể ñánh giá sóng ñiều hòa bậc cao.
Im
Re




Hình1.3: Phân tích F
n

thành a
n
và b
n
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
2
2
1
n
n
X
THD
X
∞
=
=
∑
(1.4)
Trong ñó:
X
1
: Biên ñộ thành phần cơ bản
X
n
: Biên ñộ thành phần ñiều hòa bậc n.
Từ công thức trên ta có thể ñánh giá ñộ méo dạng dòng ñiện và ñiện áp
qua hệ số méo dạng như sau:
 Hệ số méo dạng dòng ñiện:
2
2
1
n
n
I

THD
I
∞
=
=
∑
(1.5)
Trong ñó:
I
1
: Biên ñộ thành phần dòng cơ bản
I
n
: Biên ñộ thành phần dòng ñiều hòa bậc n.
 Hệ số méo dạng ñiện áp:
2
2
1
n
n
U
THD
U
∞
=
=
∑
(1.6)
Trong ñó:
U

1
: Biên ñộ thành phần ñiện áp cơ bản
U
n
: Biên ñộ thành phần ñiện áp ñiều hòa bậc n.
1.2.1 Ảnh hưởng của sóng ñiều hòa bậc cao và quy ñịnh giới hạn thành
phần sóng ñiều hòa bậc cao trên lưới ñiện
*. Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng ñiều hòa bậc cao ñó là việc làm
tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị ñỉnh của dòng ñiện và ñiện áp, có thể
thấy rõ qua công thức sau:

= (1.7)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
= (1.8)
Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên ñộ của tín hiệu ñiện áp hay dòng ñiện
tăng do sóng ñiều hòa bậc cao, sẽ dẫn ñến tăng tổn hao nhiệt, làm hỏng cách
ñiện của các thiết bị, gây ra các hỏng hóc không mong muốn. Ảnh hưởng của
sóng ñiều hòa bậc cao lênn một số thiết bị như sau:
 Các máy ñiện quay: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của ñộng cơ
tăng; Làm méo mômen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; Có thể gây ra dao
ñộng cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí…
 Các thiết bị ñóng cắt: Làm tăng nhiệt ñộ và tổn hao trên thiết bị; Có
thể gây hiện tượng khó ñóng cắt, kéo dài quá trình dập hồ quang dẫn ñến tuổi
thọ của thiết bị giảm…
 Các rơ le bảo vệ: Có thể gây tác ñộng sai, tác ñộng ngược, …
 Các tụ ñiện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất ñiện môi
(làm giảm dung lượng tụ), gây hiện tượng cộng hưởng trên tụ…
 Các dụng cụ ño: Ảnh hưởng ñến sai số của các thiết bị sử dụng ñĩa
cảm ứng, như: ñiện kế, rơ le quá dòng…

 Thiết bị ñiều khiển ñiện tử công suất: Việc ñiện áp bị méo có thể
gây ra trường hợp xác ñịnh ñiểm không ñể tính góc mở cho các khóa ñiện tử
công suất bị sai, làm cho mạch hoạt ñộng không chính xác…
* Giới hạn về thành phần sóng ñiều hòa bậc cao trên lưới ñiện.
Trên thế giới ñưa ra một số tiêu chuẩn:
- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu ñiện áp:
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu ñiện áp
ðiện áp tại ñiểm nối
chung
Nhiễu ñiện áp từng
loại sóng ñiều
hòa(%)=
Nhiễu ñiện áp tổng
cộng các loại sóng
ñiều hòa THD (%)
≤ 69 KV 3,0 5,0
Trên 69 KV ñến 161KV

1,5 2,5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
Trên 161 KV 1,0 1,5

- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng ñiện cho hệ thống phân phối
chung (từ 120V ñến 69KV) (tính theo % của I
tải
)
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng ñiện
Tỷ số ngắn
mạch(SCR=I

SC
/I
tả
)

h<11

11≤h<17

17≤h<23

23≤h<35

35≤h

THD

<20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0
Từ 20 ñến 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0
Từ 50 ñến 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0
Từ 100 ñến 1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0
Trên 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0
∗
Hài bậc chẵn ñược giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên
∗
h: Bậc của sóng ñiều hòa
- IEC 1000-3-4 cho thiết bị có dòng ñầu vào mỗi pha trên 75A
Bảng 1.3: IEC 1000-3-4
Bậc sóng ñiều
hòa (n)

Giá trị (%)
ch
ấ
p nh
ậ
n.

Bậc sóng ñiều
hòa (n)
Giá trị (%)
ch
ấ
p nh
ậ
n.

3 19 19 1,1
5 9,5 21 ≤0,6
7 6,5 23 0,9
9 3,8 25 0,8
11 3,1 27 ≤0,6
13 2,0 29 0,7
15 0,7 31 0,7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
Phan tich pho tan
Continuous
Tong tro nguon
in 1in 2
Tai

Scope3
Nguon xoay chieu 1 pha
i
+
-
Do dong
A
B
+
-
Chinh lu cau Diot 1 pha
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Dac tinh dong dien nguon cung cap cho chinh luu cau Diot 1 pha
Time(s)
Dong dien nguon cung cap
1.2.2 Một số nguồn tạo sóng ñiều hòa bậc cao trong công nghiệp
Nguồn
tạo
sóng ñiều hòa bậc cao trong công nghiệp ñược tạo ra bởi các

tải phi tuyến:
- Các thiết bị ñiện tử công suất
Các
thiết
bị ñiện tử công suất bản thân ñược cấu thành từ các thiết bị
bán dẫn như ði ốtt, Thyristor, mosfet, IGBT, GTO…là các phần tử phi tuyến
gây nên các sóng ñiều hòa bậc cao. Tùy theo cấu trúc của các bộ biến ñổi mà
có thể sinh ra các dạng sóng ñiều hòa khác nhau. Thông thường, ñể hạn chế
sóng ñiều hòa bậc cao, người ta sử dụng các mạch chỉnh lưu cầu ba ghép lại
với nhau thành bộ chỉnh lưu 12 xung hoặc bộ chỉnh lưu 24 xung; tức là tăng
số van trong mạch chỉnh lưu lên. Tuy nhiên khi chọn giải pháp như vậy sẽ
dẫn tới thiết bị cồng kềnh, tổn thất ñiện áp lớn…
+ Ví dụ bộ chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha có mô hình:















Hình 1.5: Mô hình chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha
Hình 1.6: Dòng ñiện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24
0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095
-50
0
50
Time (s)
FFT window: 2 of 5 cycles of selected signal
0 5 10 15 20
0
20
40
60
80
100
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 43.4 , THD= 32.23%
Mag (% of Fundamental)
Phan tich pho tan
Continuous
Tong tro nguon pha C
Tong tro nguon pha B
Tong tro nguon pha A
t
To Workspace1
y
To Workspace
in 1in 2
Tai
Dong nguon pha A

i
+
-
Do dong
Clock
A
B
C
+
-
Chinh lu cau Diot 3 pha













+ Ví dụ bộ chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha có mô hình:













Hình 1.7: Chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha, dạng dòng ñiện và phổ
Hình 1.8: Mô hình chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
25
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Dac tinh dong dien nguon pha A cung cap cho chinh luu cau Diot 3 pha
Time(s)
Dong dien nguon pha A
0.04 0.045 0.05 0.055
-40
-20
0

20
40
Time (s)
FFT window: 1 of 5 cycles of selected signal
0 5 10 15 20
0
20
40
60
80
100
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 38.08 , THD= 37.41%
Mag (% of Fundamental)





















Ta thấy dòng ñiện ñầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có ñộ méo rất lớn
THD = 37,41 %. Các thành phần sóng ñiều hòa bậc cao này là do tính phi
tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra. Trong ñó các thành phần sóng ñiều hòa
bậc 3, 5, 9 là chủ yếu.
Hình 1.9: Dòng ñiện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha

Hình 1.10: Chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha, dạng dòng ñiện và phổ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên