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

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và thực hiện luận văn tốt nghiệp này, tác giả đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của các quý thầy cô Viện sau đại học, Viện Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Trước hết, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến GS.TSKH.Trần Đình Long đã dành rất
nhiều thời gian, tâm huyết và sự hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian học tập và viết luận văn tốt
nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện và Viện sau đại học
- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, tập thể giảng viên khoa Điện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và
nghiên cứu.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè vì những lời khuyên, vì sự quan
tâm, động viên và giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ 2
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... 3
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................. 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................... 8
MỞ ĐẦU

........................................................................................................................ 9

Chƣơng 1: VẤN ĐỀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN............................................ 11
1.1 Định nghĩa sóng hài và phân tích sóng hài ....................................................... 11
1.2. Phân loại sóng hài ............................................................................................. 16
1.3. Các đại lƣợng trong chế độ không sin ............................................................... 17
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá sóng hài ........................................................................... 18

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

3.1.6. Sóng hài gây suy giảm hệ số công suất .................................................. 45
3.1.7. Sóng hài gây sai lệch hệ thống đo đếm điện năng .................................. 46
3.1.8. Sóng hài gây nhiễu hệ thống bảo vệ, truyền tin và truyền thông ............. 46
3.1.9. Tăng tổn thất trên đƣờng dây truyền tải điện .......................................... 46
3.2. Thực trạng sóng hài trong hệ thống điện Việt Nam............................................ 47
3.2.1. Phân nhóm phụ tải theo mức ô nhiễm sóng hài ...................................... 47
3.2.2. Kết quả khi đo sóng hài ở miền Bắc, miền Trung và miền Nam ............. 48
3.2.3. Đánh giá kết quả .................................................................................... 52
3.3. Nhận xét ............................................................................................................ 53
Chƣơng 4: GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC ẢNH HƢỞNG CỦA SÓNG HÀI VÀ VÍ DỤ ÁP DỤNG
...................................................................................................................... 54
4.1. Giải pháp khắc phục ảnh hƣởng của sóng hài................................................... 54
4.1.1. Cuộn cảm nối tiếp ................................................................................... 54
4.1.2. Máy biến áp Zigzag................................................................................. 54
4.1.3. Lọc thụ động sóng hài ............................................................................. 55
4.1.4. Lọc tích cực sóng hài .............................................................................. 57
4.1.5. Lọc tích cực lai........................................................................................ 61
4.2. Ví dụ áp dụng .................................................................................................... 63
4.2.1. Giới thiệu đặc điểm phụ tải của nhà máy Xi măng Vicem Hoàng Mai ..... 64
4.2.2. Khảo sát, đo tỷ lệ sóng hài các bậc, dòng tải và dạng sóng dòng điện của
một xuất tuyến........................................................................................ 70
4.2.3. Đánh giá kết quả đo đƣợc và lựa chọn giải pháp khắc phục ................... 74
4.2.4. Thiết kế bộ lọc thụ động mắc song song ................................................. 74
4.2.5. Mô phỏng kết quả chứng minh lợi ích do bộ lọc mang lại. ...................... 84
4.2.6. Đánh giá kết quả ..................................................................................... 86
4.3. Nhận xét ............................................................................................................ 86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 89



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

Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc tích cực ................................................................ 57
Hình 4.4. Bộ lọc tích cực song song ................................................................................ 59
Hình 4.5. Dạng sóng dòng điện của bộ lọc tích cực song song ....................................... 59
Hình 4.6. Bộ lọc tích cực nối tiếp ..................................................................................... 60
Hình 4.7. Bộ lọc lai sử dụng bộ lọc tích cực song song và lọc thụ động song song ......... 62
Hình 4.8. Bộ lọc lai sử dụng bộ lọc tích cực nối tiếp và lọc thụ động song song .............. 63


Hình 4.9. Sơ đồ vị trí địa lí và hiện trạng lƣới điện cao thế tỉnh Nghệ An ....................... 644
Hình 4.10. Sơ đồ hiện trạng lƣới điện cao thế 220kV/110kV tỉnh Nghệ An năm 2010. .... 65
Hình 4.11. Sơ đồ hệ truyền động động cơ một chiều truyền động quay lò nung clinke của
Nhà máy Xi măng Hoàng Mai........................................................................ 72
Hình 4.12. Mô hình mô phỏng hệ thống điện cấp cho động cơ quay lò nung clinke (Tải phi tuyến)
...................................................................................................................... 72
Hình 4.13. Dạng sóng dòng điện và điện áp phía nguồn cấp và phía tải với góc điều khiển
bộ biến đổi α=450 tại HM_B2 ......................................................................... 73
Hình 4.14. Phổ tần của sóng dòng điện tại HM_B2 ......................................................... 73
Hình 4.15. Mô hình mô phỏng hệ thống điện cấp cho tải phi tuyến khi có các bộ lọc ..... 85
Hình 4.16. Dạng sóng điện áp và dòng điện tại HM_B2 sau khi có các bộ lọc ................ 85
Hình 4.17. Phổ tần của sóng dòng điện tại HM_B2 sau khi có các bộ lọc ....................... 86


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các mức sóng hài cho phép tối đa .................................................................. 16
Bảng 1.2. Giới hạn độ méo sóng hài điện áp................................................................... 19
Bảng 3.1. Bảng phân nhóm phụ tải ................................................................................. 48
Bảng 3.2. Kết quả đo sóng hài tại miền Bắc .................................................................... 48
Bảng 3.3. Kết quả đo sóng hài tại miền Trung ................................................................. 49
Bảng 3.4. Kết quả đo sóng hài tại miền Nam................................................................... 50

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].

Với Barry.W.Kennedy, ông đưa ra định nghĩa của Gerry Heydt về chất lượng
điện năng “là biện pháp, sự phân tích, cải thiện cho điện áp, thông thường là điện áp
trên tải, để duy trì điện áp này ở dạng sin theo điện áp và tần số định mức” [2].
Trong một số tài liệu khác, Maura.C.Ryan định nghĩa: Chất lượng điện năng
là mức độ trong đó việc sử dụng và phân phối năng lượng điện đều tác động đến sự
hoạt động của thiết bị điện. Bất kỳ một sai lệch nào so với biên độ, tần số của dạng
sóng điện áp hình sin lý tưởng đều xem như là các vấn đề chất lượng điện năng [3].
Còn Kabelo Klifford Modipance cho rằng: Chất lượng điện năng là bất kỳ
phản ứng nào không bình thường trên hệ thống điện xảy ra đối với dạng sóng của
dòng điện hay/và điện áp, tác động có hại đối với sự hoạt động bình thường của
thiết bị điện tử hay thiết bị điện [4].
Các cơ quan tiêu chuẩn hoá quốc tế như IEEE (Institute of Electric and
Electronic Engineers) và IEC (International Electrotechnical Commission) cũng đã
bắt đầu định nghĩa và phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện
năng.

-9-


Theo IEEE thì: Chất lượng điện năng là một khái niệm của việc nối nguồn và
nối đất cho các thiết bị nhạy cảm mà theo cách đó phù hợp cho việc hoạt động
của thiết bị.
Vào năm 2000, IEC đã đưa ra bản dự thảo và đề nghị định nghĩa về chất
lượng điện năng theo cách sau: Chất lượng điện năng là tính chất điện tại một
điểm cho trước trên một hệ thống điện được đánh giá so sánh với một bộ các
thông số kỹ thuật tham khảo (với một chú ý đi kèm: trong một vài trường hợp
các thông số này có liên quan đến độ tương thích giữa năng lượng cung cấp trên
mạng và các tải được kết nối với mạng đó).
Hiện nay, sóng hài là một trong các chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng
điện năng, nhưng cho đến nay vẫn chưa được quan tâm nhiều ở hệ thống điện nước

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

điện áp có tần số là bội số của tần số cơ bản gọi là các sóng hài bậc cao. Những
thành phần sóng hài bậc cao này là một dạng ô nhiễm điện năng, làm méo dạng sóng
dòng điện (điện áp).
Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân
tích Fourier. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có chu kỳ
không sin thì tương đương và có thể được thay thế bởi tổng của các dạng sóng
điều hòa hình sin, chúng bao gồm:
- Một sóng hình sin với tần số cơ bản.
- Một số các sóng hình sin khác với tần số cao hơn, là bội của tần số cơ bản.
Dạng sóng méo ở hình 1.1 được phân tích thành một thành phần sóng cơ bản
và một thành phần sóng hài bậc ba. Tổng giá trị hiệu dụng của dòng điện méo này
được tính bằng căn bậc hai của tổng các bình phương của dòng cơ bản và dòng hài.

Hình 1.1. Dạng sóng với thành phần cơ bản và hài bậc 3

- 11 -


Dấu hiệu để xác định một dạng sóng méo có thành phần hài bậc chẵn hay bậc
lẻ như sau:
- Hài bậc lẻ xuất hiện khi nửa chu kỳ âm của dạng sóng méo lặp lại y hệt nửa
chu kỳ dương, nhưng với chiều âm. Nói cách khác, hài bậc lẻ xuất hiện khi phần tư
chu kỳ đầu tiên và phần tư chu kỳ thứ ba là giống nhau, phần tư chu kỳ thứ hai
và phần tư chu kỳ thứ tư là giống nhau. Với chỉnh lưu cầu xuất hiện hài bậc lẻ, còn
các hài bậc chẵn bị triệt tiêu vì nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm là đối xứng
nhau.
- Hài bậc chẵn xuất hiện khi nửa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ dương.
Một đặc điểm khác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư chu kỳ đầu tiên và phần tư
chu kỳ thứ tư là giống nhau, phần tư chu kỳ thứ hai và phần tư chu kỳ thứ ba là
giống nhau. Thường ít khi thấy hài bậc chẵn trong các hệ thống điện công nghiệp.


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


bn
an

Hệ số a0 trong biểu thức trên có thể được rút ra bằng cách lấy tích phân cả 2 vế
của phương trình (1.1) từ -T/2 đến T/2 (với chu kỳ T).
T/2



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

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


b
dt 
 n 

n  sin

T
T
n

1
 T/2
 T/2
  T/2

T/2

x(t)dt  a 0

 T/2

(1.4)

Số hạng đầu tiên ở vế phải có giá trị là a 0 T, các biểu thức tích phân còn lại
đều có giá trị là không.
Vậy a0 được tính theo công thức sau:
T/2

a0 


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

T 
T
n=1 
 T/2 
T/2

x(t) cos

 T/2

T/2

 a0



 T/2

cos

T/2
T/2
 
2mt
2nt
2mt
2nt
2mt 
dt   a n  cos
cos

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

dt  0
T

Với mọi m, n ta có :
2nt
2mt
1
2(m  n)t
2(m  n)t 
a n  cos
cos
dt a n   cos
 cos
 dt 0
T
T
2
T
T

 T/2
 T/2
T/2

T/2

2nt
2mt
1  2(m  n)t
2(m  n)t 

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

dt  a n  cos 2
dt
T
T
T
 T/2
 T/2
T/2

x(t) cos

an
2

T/2



 T/2

cos

a
4πnt
dt  n
T
2

T/2


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

, với m là một số nguyên dương bất kỳ. Ta có: b n   x(t) sin
T  T/2
T
T
T/2

sin

với n  1  
Ta thấy khi hàm x(t) là đối xứng lẻ, tức là x(t) = -x(-t) thì a n bằng không
với tất cả các giá trị n. Như vậy chuỗi Fourier của một hàm lẻ chỉ có các thành phần sin.
Còn khi hàm x(t) đối xứng chẵn, tức là x(t) = x(-t) thì bn bằng không với tất cả
các giá trị của n. Chuỗi Fourier của một hàm chẵn chỉ có các thành phần cos.
Một dạng sóng có thể là chẵn hoặc lẻ tùy thuộc vào khoảng thời gian tham
chiếu được lựa chọn.

- 14 -


Hàm x(t) gọi là đối xứng nửa sóng khi x(t) = -x(t+T/2). Dạng sóng của tín
hiệu kiểu này có hình dạng tại thời gian từ (t+T/2) đến (t+T) là dạng âm của dạng
sóng từ (t) đến (t+T/2).
Biến đổi tương tự ta có:
Với n lẻ:
an 
bn 

4
T


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 


U max
U rms

Như vậy trong mạng lưới phân phối ba pha thường chỉ xuất hiện các sóng hài
bậc lẻ. Biên độ của sóng hài giảm khi tần số tăng. Đối với các sóng hài bậc 50 trở
lên được phép bỏ qua, các phép đo không còn ý nghĩa. Các phép đo chính xác đầy
đủ đạt được bằng cách chỉ đo các sóng hài có bậc dưới 30. Trên thực tế thường chỉ
cần xử lý các sóng hài bậc 3, 5, 7, 11 và 13.
Theo tiêu chuẩn EN 50610, tỷ lệ của các thành phần sóng hài bậc cao so với
sóng hài bậc cơ bản (tính theo %) được quy định ở bảng 1.1 [5]

- 15 -


Bảng 1.1. Các mức sóng hài cho phép tối đa

Các hài bậc lẻ
Các hài bậc chẵn
Không chia hết cho 3
Bậc hài

Chia hết cho 3

HA

TA

CA

5


6

6

2

7

5

5

11

3,5

13

Bậc

HA

TA

CA

3

5


2,5

1,5

2

9

1,5

1,5

3,5

1.5

15

0,3

3

3

1.5

21

17


2

2

1

> 21

19

1,5

1,5

23

1,5

25

h

Bậc

HA

TA

CA


2

2

1,5

1,5

1

4

1

1

1

0,3

0.3

6

0,5

0,5

0.5


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


12

0,2

0,2

0,2

1

0.7

> 12

0,2

0,2

0,2

1,5

1

0.7

0,2

0,2


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


Mối quan hệ của bậc sóng hài với các thành phần đối xứng tương ứng như sau:
Thành phần thứ tự thuận: các sóng hài bậc 1, 4, 7, .., 3k +1…
Thành phần thứ tự nghịch: các sóng hài bậc 2, 5, 8, .., 3k + 2…
Thành phần thứ tự không: các sóng hài bậc 3, 6, 9, .., 3k + 3…
(Với k = 0, 1, 2, 3…)
Khi xuất hiện méo dạng sóng thì mỗi sóng hài sẽ thuộc một trong ba thành
phần thứ tự nói trên, các thành phần này thường nhỏ so với tổng độ méo các sóng hài.
- Sóng hài và liên sóng hài
Sóng hài có tần số bằng một số nguyên lần sóng cơ bản.
Liên sóng hài có tần số bằng một số không nguyên lần sóng cơ bản.
- Sóng hài đặc trưng và sóng hài không đặc trưng
Sóng hài không đặc trưng được sinh ra bởi converter không liên quan đến số
xung điều khiển. Ví dụ sóng hài bậc 5 và 7 được sinh ra bởi converter 12 xung.
Nguyên nhân do không cân bằng giữa 2 cầu chỉnh lưu và quá trình biến đổi pha.
- Sóng hài bậc chẵn và sóng hài bậc lẻ
Sóng hài bậc chẵn có tần số bằng một số chẵn nguyên lần sóng cơ bản.
Sóng hài bậc lẻ có tần số bằng một số lẻ nguyên lần sóng cơ bản. Trong mạng
lưới phân phối ba pha thường chỉ xuất hiện các sóng hài bậc lẻ.
- Sóng hài dòng điện và sóng hài điện áp
Sóng hài dòng điện thường do tải phi tuyến (Bộ biến đổi) sinh ra.
Sóng hài điện áp xuất hiện tại vị trí tải nhạy cảm.

1.3. Các đại lượng trong chế độ không sin
- Dòng điện

- 17 -







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


h 1

Điện áp tức thời: v(t)   v h (t)  2Vh sin(h0 t  h )
T

Điện áp hiệu dụng: Vrms

1

v(t)dt 
T 0



V
h 1

2
h

- Công suất biểu kiến: S  V.I
- Công suất tác dụng


1
p(t)dt

V
I
cos



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

T 0
h 1
h 1
T

Q

- Biến dạng công suất (công suất sai lệch): D  S2  P 2  Q2  S2  S2PQ
- Hệ số dịch chuyển công suất (displacement): cos=

- Hệ số biến dạng công suất (distortion): cos =
- Hệ số công suất:   cos 

P
SPQ

SPQ
S

P
 cos.cos
S

1.4. Các chỉ tiêu đánh giá sóng hài
Khi phân tích sóng hài thường sử dụng một số chỉ tiêu sau để đánh giá mức độ
ảnh hưởng của sóng hài lên hệ thống điện.

- 18 -



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


hài điện áp ứng với mỗi cấp điện áp được quy định như ở bảng 1.2 [6], [7].
Bảng 1.2. Giới hạn độ méo sóng hài điện áp

Cấp điện áp

Tổng độ méo sóng hài

Độ méo riêng lẻ

500kV, 220kV

3%

-

110kV

3,0%

1,5%

Trung và hạ áp

6,5%

3,0%

- 19 -



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


1
 THD 
1 

 100 

2

1.4.2. Độ méo yêu cầu tổng TDD (Total Demand Distortion)
Chỉ số THD cho biết năng lượng nhiệt tổn hao khi cung cấp điện áp méo cho
một tải trở. THD hầu hết được sử dụng để mô tả méo điện áp điều hòa. Khi sử dụng
THD để mô tả méo dòng điện có thể bị sai sót. Một dòng điện nhỏ có thể có THD
cao khi giá trị của dòng cơ bản thấp, nhưng không là biểu hiện báo trước của hệ
thống. Ví dụ như khi điều chỉnh tốc độ động cơ, dòng điện sẽ có giá trị THD cao
khi làm việc với tải nhẹ. Khi này THD của dòng điện không có nhiều ý nghĩa.
Để tránh sự sai sót, các nhà phân tích đưa ra chỉ số độ méo yêu cầu tổng TDD,
được xác định theo công thức:

- 20 -


h max

TDD 

I
h 2

2

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


Vrms

hoặc TIFi =

h

.Ih 

2

h=1

Irms

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.
Vrms, Irms: là giá trị hiệu dụng của điện áp, dòng điện.
Như vậy TIF là một biến thể của THD.

- 21 -


1.4.4. Chỉ số V.T và I.T
Một chỉ số khác đo sóng hài trong mạch âm thanh tương tự hệ số ảnh hưởng
viễn thông TIF là V.T và I.T. Trong đó V là giá trị hiệu dụng của điện áp, I là giá trị
hiệu dụng của dòng điện, T là TIF - hệ số ảnh hưởng viễn thông. Trong thực tế, V.T
và I.T được xác định theo công thức:

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


1.5. Nhận xét
Chương này đã nêu được khái niệm về sóng hài, phân loại sóng hài, các đại
lượng trong chế độ không sin và các chỉ tiêu đánh giá sóng hài.
Trong mạng lưới phân phối ba pha thường chỉ xuất hiện các sóng hài bậc lẻ.
Trên thực tế thường chỉ cần xử lý các sóng hài bậc 3, 5, 7, 11 và 13.
Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá sóng hài nhưng thường sử dụng chỉ tiêu Độ méo
điều hòa tổng (THD) và Độ méo yêu cầu tổng (TDD).

- 22 -


Nguyên nhân gây sóng hài trong hệ thống điện

Luận văn Thạc sĩ

Chương 2
NGUYÊN NHÂN GÂY SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Dạng sóng điện áp do nguồn phát sẽ có dạng thuần sin biến thiên tuần hoàn
theo thời gian. Nhưng khi dạng sóng điện áp thuần sin này được đặt lên một phụ tải
không tuyến tính, dòng điện mà phụ tải không tuyến tính này tiêu thụ lại không có
dạng thuần sin. Trong trường hợp tổng trở nguồn không phải là giá trị vô cùng bé mà
đạt một giá trị xác định nào đó, dòng điện không thuần sin sẽ gây một điện áp giáng
trên tổng trở nguồn này. Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng méo dạng sóng tín hiệu
điện áp tại cực của phụ tải nói trên. Hiện tượng nói trên chính là nguyên nhân phát
sinh sóng hài. Méo dạng sóng điện áp này nếu được đặt lên các phụ tải tuyến tính
khác lại sinh ra méo dòng điện tương ứng trên các phụ tải đó.
Các lò điện hồ quang, các thiết bị điện tử bán dẫn, các bộ biến đổi điện tử công
suất lớn như hệ thống chỉnh lưu, hệ thống biến tần công suất là nguyên nhân chính
gây ra các méo dạng sóng. Các hệ thống dân dụng khác có công suất nhỏ hơn như

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

phóng điện là nguồn tạo ra sóng hài. Xét dòng hài sinh ra trong đèn huỳnh quang.
Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang như hình 2.1 [14]

Hình 2.1. Dạng sóng dòng điện của đèn huznh quang

Phân tích phổ của sóng hài trong đèn huỳnh quang như hình 2.2 [14]

- 24 -


Hình 2.2. Phân tích phổ của sóng hài trong đèn huznh quang

Từ dạng sóng dòng điện ta thấy nó khác rất nhiều so với dạng thuần sin. Điều
này đồng nghĩa với việc trong phổ dòng điện chứa đựng rất nhiều thành phần sóng
hài cao tần. Từ phân tích phổ của sóng hài ta thấy chỉ có hài bậc lẻ, độ méo điều hòa
tổng là 53%.
Ngày nay đèn huỳnh quang thường sử dụng chấn lưu điện tử được thiết kế đặc
biệt để làm giảm đến mức tối thiểu độ méo điều hòa tổng đến khoảng 10% - 32%.
So với đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu thông thường thì đèn huỳnh quang sử
dụng chấn lưu điện tử có thể làm giảm độ méo điều hòa tổng nhiều hơn.
2.1.2. Hệ chỉnh lưu một pha
Có rất nhiều ứng dụng dân dụng và thương mại yêu cầu điện áp một chiều.
Nguồn chỉnh lưu một pha rất phổ biến trong các hệ thống ứng dụng này vì lý do giá
thành thấp và độ tin cậy làm việc cao. Có thể liệt kê một loạt các ứng dụng dân
dụng và thương mại sử dụng hệ chỉnh lưu một pha như: truyền hình, máy tính cá
nhân, máy văn phòng ...
Mạch chỉnh lưu một pha được thể hiện trên hình 2.3, có thể nhận thấy dạng
sóng dòng điện vào nguồn chỉnh lưu hoàn toàn không có dạng thuần sin cơ bản.
Điều này là vì dòng điện này chỉ khác không khi tụ lọc phía một chiều được nạp lại.
Tụ này sẽ chỉ nạp lại khi điện áp trung bình trên tụ giảm thấp hơn so với giá trị tức

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 -