TĨM TẮT
Luận văn này mơ phỏng một phương pháp giảm sóng hài cho các phụ tải có
sóng hài cao nối vào lưới điện phân phối huyện Châu Thành, tỉnh An Giang.
Trong mơ hình mơ phỏng bao gồm nguồn điện hình sin, tải phi tuyến, bộ lọc
tích cực lọc sóng hài, trong bộ lọc tích cực được điều khiển dịng điện bù theo Logic
Mờ.
Ưu điểm của bộ lọc sóng hài điều khiển Mờ là thời gian đáp ứng nhanh, chất
lượng tốt hơn so với bộ lọc điều khiển bằng PI.
Kết quả sử dụng giải thuật Logic Mờ cho bộ lọc, tổng sóng hài dịng điện
giảm từ 23,99 % xuống cịn 10,19 %. Kết luận từ kết quả mô phỏng, sau khi lọc
sóng hài hệ thống lưới điện của huyện Châu Thành, tỉnh An Giang có tổng sóng hài
dịng điện dưới 12 % đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Tuy nhiên kết quả mô phỏng vẫn chưa làm cho hệ thống lưới điện của huyện
Châu Thành, tỉnh An Giang có tổng sóng hài dịng điện đạt ngưỡng dưới 5 % theo
tiêu chuẩn IEEE. Do đó hướng phát triển của đề tài tiếp tục tìm thơng số của bộ Mờ
để điều khiển bộ lọc làm việc tốt hơn nữa đảm chất lượng điện năng trong giới hạn
yêu cầu của tiêu chuẩn IEEE.

vi


ABSTRACT
The thesis studies about simulating a harmonic reduction method for nonlinear loads which generate the harmornic on distribution power line of Chau Thanh
district, An Giang province.
The advantage of Fuzzy Logic Control (FLC) algorithm are fast response, the
quanlity of electrical is better than one which controled by the PI algorithm.
The THD of power line current reduce from 23.99% to 10.19% when using
Fuzzy logic control for harmonic filter. It means that, the result of filter model
showed the THD of Chau Thanh‟s power line have THD less than 12% which is
meet the Vietnam stardard in electricity.
However, the result of model don‟t meet the require of IEEE standard which

the THD must to less than 5%. Therefore the mention of this thesis is determind the
parameters of the fuzzy rules so that the THD of power line is smallest or meet the
IEEE standard about quanlity of electric.

vii


MỤC LỤC

TRANG
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ................................................................................. i
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................ ii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................v
TÓM TẮT ................................................................................................................ vi
ABSTRACT ............................................................................................................ vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................x
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... xiv
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1.1.

Tính cần thiết của đề tài .............................................................................1

1.2.

Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................2

1.3.


Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................2

1.4.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu ..............................................................2

1.5.

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................2

1.6.

Điểm mới của đề tài ...................................................................................2

1.7.

Phạm vi ứng dụng ......................................................................................3

1.8.

Nội dung đề tài ...........................................................................................3

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG ......................4
1.1.

Khái niệm về chất lượng điện năng. .............................................................4

1.2.

Sóng hài trong hệ thống điện .....................................................................9


1.3.

Phương pháp phân tích méo dạng sóng ...................................................20

1.4.

Một số kết quả khảo sát hiện tượng sóng hài ...........................................30

1.5.

Kết luận chương 1 ....................................................................................35

CHƢƠNG 2 - MỘT SỐ BIỆN PHÁP HẠN CHẾ SĨNG HÀI........................37
2.1.

Giải pháp hạn chế sóng hài bằng tải thơng minh [8] ...............................37

2.2.

Giải pháp hạn chế sóng hài bằng bộ lọc thụ động [9] ..............................38

2.3.

Giải pháp hạn chế sóng hài bằng bộ lọc tích cực .....................................38

viii


2.4.


Kết luận chương 2 ....................................................................................44

CHƢƠNG 3 - MÔ PHỎNG BỘ LỌC SĨNG HÀI TÍCH CỰC BẰNG
MATLAB SIMULINK ........................................................................................46
3.1. Tạo mơ hình mơ phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến khơng có bộ
lọc sóng hài: ........................................................................................................46
3.2. Tạo mơ hình mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc
sóng hài điều khiển theo lý thuyết PI: ................................................................47
3.3. Tạo mơ hình mơ phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc
sóng hài điều khiển theo lý thuyết FLC: ............................................................48
3.4.

Mơ phỏng ba mơ hình trên .......................................................................49

3.5. Ứng dụng thực tế trên một số phụ tải đấu nối vào lưới điện phân phối
huyện Châu Thành ..............................................................................................51
3.6.

Kết luận chương .......................................................................................53

CHƢƠNG 4 - KẾT LUẬN ..................................................................................55
4.1.

Những kết quả đạt được ...........................................................................55

4.2.

Hướng phát triển của đề tài ......................................................................55


TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................57
PHỤC LỤC I: CÀI ĐẶT THÔNG SỐ CHO CÁC MƠ HÌNH...........................59
PHỤC LỤC II: GIẢI THUẬT LOGIC MỜ (FUZZY LOGIC) .........................71
PHỤC LỤC III: GIẢI THUẬT VI TÍCH PHÂN (PID) ......................................78
PHỤC LỤC IV: PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK .......................................84

ix


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
FLC: Bộ điều khiển Logic Mờ (Fuzzy Logic Controller)
PI: Điều khiển bằng giải thuật PI (Proportional Integral)
PWM: Điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation)
THD: Tổng độ méo dạng sóng hài (Total Harmonic Distortion)
THDv: Tổng độ méo dạng sóng hài điện áp
THDi: Tổng độ méo dạng sóng hài dịng điện
CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG: Cơng suất phần kháng
APF: Bộ lọc sóng hài tích cực (Active Power Filter).

x


DANH MỤC HÌNH ẢNH

TRANG

Hình 1-1: Đường cong từ hóa máy biến áp ........................................................11
Hình 1-2: Sóng hài đo tại xưởng giặt do các thiết bị điện tử cơng suất ............12
Hình 1-3: Sóng hài của phân xưởng Inox Hồng Vũ có máy biến áp cơng suất
lớn .......................................................................................................................12

Hình 1-4: Sóng hài của lị hồ quang nhà máy gang thép Thái Nguyên .............13
Hình 1-5: Sơ đồ ngun lý và dạng sóng dịng điện đi qua bộ chỉnh lưu cầu 1
pha.......................................................................................................................14
Hình 1-6: Sóng hài của hệ thống điều hòa LG tại trung tâm hội nghị MIPEC –
Tây Sơn – Hà Nội ...............................................................................................14
Hình 1-7: Sơ đồ cộng hưởng: a) song song, b): nối tiếp ....................................19
Hình 1-8: Sơ đồ mạng điện đơn giản..................................................................25
Hình 1-9: Sơ đồ tính tốn với thành phần sóng cơ bản ......................................26
Hình 1-10 Sơ đồ tính tốn với thành phần sóng hài bậc h .................................26
Hình 2-1: Ngun tắc lọc sóng hài của Bộ lọc tích cực .....................................39
Hình 2-2: Bộ lọc tích cực ...................................................................................39
Hình 2-3: Mạch điều khiển điện áp DC của APF bằng lý thuyết PI ..................43
Hình 2-4: Mạch điều khiển điện áp DC của APF bằng lý thuyết FLC ..............44
Hình 3-1: Mơ hình mơ phỏng lưới điện với tải phi tuyến, khơng có bộ lọc sóng
hài .......................................................................................................................46
Hình 3-2: Mơ hình mơ phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc
sóng hài điều khiển theo lý thuyết PI .................................................................48
Hình 3-3: Mơ hình mơ phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc
sóng hài điều khiển theo lý thuyết FLC..............................................................49
Hình 3-4: Kết quả mơ phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến khơng có bộ
lọc sóng hài .........................................................................................................50
Hình 3-5: Kết quả mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc
sóng hài điều khiển theo lý thuyết PI .................................................................50
Hình 3-6: Kết quả mơ phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến có bộ lọc
sóng hài điều khiển theo lý thuyết FLC..............................................................51

xi


Hình 3-7: Kết quả mơ phỏng lưới điện phân phối huyện Châu Thành sử dụng bộ

lọc sóng hài điều khiển theo lý thuyết FLC ........................................................53
Hình PLI-I-1a: Thơng số cài đặt nguồn điện pha A ...........................................59
Hình PLI-I-1b: Thơng số cài đặt nguồn điện pha B ...........................................59
Hình PLI-I-1c: Thơng số cài đặt nguồn điện pha C ...........................................59
Hình PLI-I-2: Thơng số cài đặt bộ chỉnh lưu .....................................................60
Hình PLI-I-3: Thơng số cài đặt phụ tải ..............................................................60
Hình PLI-I-4: Thơng số cài đặt đo địng điện và điện áp 3 pha .........................60
Hình PLI-I-5: Thơng số cài đặt khối hiển thị tín hiệu ........................................61
Hình PLI-II-1: Thơng số cài đặt cuộn cảm L của bộ lọc ....................................61
Hình PLI-II-2: Thơng số cài đặt bộ chỉnh lưu ....................................................62
Hình PLI-II-3: Thơng số cài đặt tụ điện .............................................................62
Hình PLI-II-4: Thơng số cài đặt Khối Real-Imag to Complex ..........................62
Hình PLI-II-5: Thơng số cài đặt Khối Complex to Magnitude-Angle ...............63
Hình PLI-II-6: Sơ đồ kết nối các khối của bộ PLL ............................................63
Hình PLI-II-7: Sơ đồ kết nối các khối của bộ biến đổi giá trị a-b-c sang giá trị
tham chiếu d-q ....................................................................................................63
Hình PLI-II-8: Sơ đồ kết nối các khối của bộ biến đổi giá trị d-q sang giá trị
iabc*....................................................................................................................64
Hình PLI-II-9: Thơng số cài đặt Relay, Relay 2 và 4 .........................................64
Hình PLI-II-10: Thơng số cài đặt các Relay 1, 3 và 5 ........................................64
Hình PLI-II-11: Sơ đồ kết nối các khối của bộ PWM ........................................65
Hình PLI-II-12: Thơng số cài đặt bộ điều khiển PI ............................................65
Hình PLI-II-13: Thơng số cài đặt điện áp tham chiếu ........................................65
Hình PLI-II-14a: Thơng số cài đặt khối Goto ....................................................66
Hình PLI-II-14b: Thơng số cài đặt khối From ...................................................66
Hình PLI-III-1: Thiết lập đầu vào và đầu ra của quan hệ Mờ ............................67
Hình PLI-III-2: Giá trị Input 1 của quan hệ Mờ .................................................67
Hình PLI-III-3: Giá trị Input 2 của quan hệ Mờ .................................................68
Hình PLI-III-4: Giá trị Output của quan hệ Mờ .................................................68


xii


Hình PLI-III-5: Cài đặt Khối Fuzzy Logic Controller .......................................69
Hình PLI-III-6: Thơng số cài đặt Delay .............................................................69
Hình PLI-IV-7: Cài đặt cửa sổ Solver của khối Powergui .................................70
Hình PLI-IV-8: Chọn cửa sổ Tools xem kết quả mơ phỏng ..............................70
Hình PLII-I-1: Biểu diễn tập nhiệt độ “NĨNG” ................................................71
Hình PLII-III-1: Biểu diễn tập mờ của “các số nguyên nhỏ”.............................72
Hình PLII-IV-1: Biểu diễn của các tập mờ “Trẻ”, “Trung niên”, và “Già” .......73
Hình PLII-VII-1: Biểu diễn của các tập mờ .......................................................77
Hình PLIII-I-1: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ...................................................79
Hình PLIII-II-1: Đồ thị tín hiệu khiển PID - Kp thay đổi ...................................82
Hình PLIII-II-2: Đồ thị tín hiệu khiển PID – Ki thay đổi ...................................82
Hình PLIII-II-3: Đồ thị tín hiệu khiển PID – Kd thay đổi ..................................83
Hình PLIV-III-1: Mở cửa sổ Simulink Library Browser trong Matlab .............86
Hình PLIV-III-2: Mở cửa sổ tạo mơ hình từ cửa sổ Simulink Library Browser86
Hình PLIV-III-3: Tạo mơ hình mơ phỏng từ cửa sổ Simulink Library Browser
............................................................................................................................87
Hình PLIV-III-4: Mơ phỏng mạch điện .............................................................88
Hình PLIV-III-5: Xem kết quả mơ phỏng ..........................................................88

xiii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

TRANG

Bảng 1-1: Mức nhấp nháy điện áp .......................................................................9

Bảng 1-2: Độ biến dạng sóng hài điện áp ..........................................................29
Bảng 1-3: Độ méo dạng sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE – 519/2014 ................29
Bảng 1-4: Độ méo dạng điện áp theo tiêu chuẩn IEC – 61000- 3-6/2008 ........30
Bảng 1-5: Kết quả đo sóng hài tại miền Bắc .....................................................30
Bảng 1-6: Kết quả đo sóng hài tại miền Nam....................................................31
Bảng 1-7: Kết quả đo sóng hài tại Cơng ty Điện lực An Giang năm 2017 .......32
Bảng 1-8: Phụ tải có sóng hài cao nối với lưới điện huyện Châu Thành, tỉnh An
Giang ..................................................................................................................35
Bảng 2-1: THDi pha C và tỷ lệ sóng hài chính ở 0,002 s ..................................37
Bảng 2-2: THDi pha C và tỷ lệ sóng hài chính ở 0,008 s ..................................37
Bảng 3-1: Kết quả mơ phỏng của 03 mơ hình ..................................................51
Bảng 3-2: Phụ tải có sóng hài cao đang nối với lưới điện phân phối của huyện
Châu Thành ........................................................................................................52
Bảng 3-3: Thông số cài đặt cho mơ hình mơ phỏng tải có sóng hài cao đang nối
với lưới điện phân phối của huyện Châu Thành ................................................53
Bảng 3-5: Kết quả mô phỏng lưới điện phân phối huyện Châu Thành .............53
Bảng PLI-II-1: Các Luật Mờ cài đặt cho khâu giải Mờ (Defuzzification) .......67

xiv


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

MỞ ĐẦU
1.1.

Tính cần thiết của đề tài
- Thuật ngữ chất lượng điện năng từ những năm 1980 đã trở nên rộng rãi


trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Hiện tại, có nhiều lý do để quan tâm đến cải thiện chất
lượng điện năng:
 Thiết bị dùng điện hiện đại nhạy cảm hơn với sự thay đổi thông số của
nguồn cấp so với các thiết bị sử dụng điện trước đây. Nhiều thiết bị điện được chế
tạo với tính chất “thơng minh” địi hỏi có nguồn điện có chất lượng cao để làm việc
chính xác.
 Để đảm bảo thiết bị điện làm việc ổn định lâu dài, không bị hư hỏng do chất
lượng điện năng thì việc nâng cao chất lương điện năng là tất yếu.
 Các hệ thống truyền động điện sử dụng bộ điều khiển điện tử công suất, hệ
thống chỉnh lưu và nghịch lưu, các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng và điều
khiển điện áp trong hệ thống cung cấp điện, các loại thiết bị này là nguyên nhân ảnh
hưởng nhiều đến chất lượng điện năng, đặc biệt là sự xuất hiện của sóng hài dịng
điện.
 Khách hàng sử dụng điện ngày hiểu rõ hơn về tác động của chất lượng điện
năng đến quá trình sản xuất và sử dụng điện nên nghành điện cần có biện pháp đáp
ứng nguồn điện đúng theo hợp đồng đã cam kết.
 Đánh giá khả năng giảm tổn thất điện năng trên lưới điện cũng là một yêu
cầu thường xuyên của ngành điện. Việc nâng cao chất lượng điện năng cũng đồng
thời làm giảm tổn thất điện năng trên hệ thống điện.
- Hiện nay, nước ta đang trên đà hội nhập kinh tế quốc tế, địi hỏi các doanh
nghiệp phải chủ động và tích cực nâng cao năng lực cạnh tranh. Đối với ngành Điện
thì nâng cao chất lượng điện năng là một trong những chủ trương đang được quan
tâm. Nhà nước đã ban hành các văn bản quy định về chất lượng điện năng cụ thể là
Nghị định 137/2013/NĐ-CP và Thông tư số 39/2015/TT-BCT.

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 1/95



Luận văn thạc sĩ

1.2.

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Mục tiêu nghiên cứu

Phân tích khả năng giảm thiểu sóng hài trên lưới điện phân phối của huyện
Châu Thành, tỉnh An Giang, từ đó đề xuất giải pháp thực tế để nâng cao chất lượng
điện năng cho lưới điện phân phối huyện Châu Thành, tỉnh An Giang và mở rộng
cho toàn hệ thống điện do Công ty Điện lực An Giang quản lý.
1.3.

Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu các yếu tố liên quan đến chất lượng điện năng trên lưới điện

phân phối.
- Nghiên cứu, phân tích ngun nhân gây ra sóng hài và ảnh hưởng của sóng
hài từ đó đề ra giải pháp hạn chế sóng hài.
- Mơ phỏng giải pháp giảm sóng hài trên mơ hình bằng phần mềm MatlabSimulink để minh họa, kiểm chứng và đánh giá kết quả nghiên cứu.
1.4.

Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu
- Nghiên cứu các yếu tố liên quan đến sóng hài: Nguyên nhân, ảnh hưởng và

giải pháp hạn chế sóng hài.
- Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá khả năng giảm sóng hài trên phụ tải đấu nối
vào lưới điện phân phối huyện Châu Thành.

1.5.

Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Tra cứu văn bản quy định nhà nước, tài liệu tham

khảo, các bài báo chuyên ngành. Từ đó hiểu lý thuyết về sóng hài và ảnh hưởng của
sóng hài đến chất lượng điện năng.
- Lấy số liệu thực tế để xác định các tải gây ra sóng hài cao tại lưới điện phân
phối huyện Châu Thành. Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink để mơ phỏng
phương pháp lọc sóng hài cho các phụ tải gây ra sóng hài cao để kiểm định lại kết
quả nghiên cứu lý thuyết.
1.6.

Điểm mới của đề tài
- Hiện chưa có cơng trình nghiên cứu nào ở An Giang áp dụng phương pháp

giảm sóng hài áp dụng sử dụng giải thuật Logic Mờ để điều khiển bộ lọc sóng hài
tích cực cho lưới điện phân phối huyện Châu Thành, tỉnh An Giang.

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 2/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

- Giải pháp giảm sóng hài của phụ tải đấu nối vào lưới phân phối huyện Châu
Thành bằng cách sử dụng bộ lọc sóng hài tích cực được điều khiển bằng giải thuật

Logic Mờ (phụ tải trong nghiên cứu này là tải phi tuyến mà giải thuật Logic Mờ
thích hợp cho việc điều khiển hệ phi tuyến).
- Điều khiển bộ lọc sóng hài tích cực sử dụng bộ điều khiển PI (hoặc PID)
khó khăn và mất thời gian hơn FLC [1].
- So với cơng trình nghiên cứu của Aziz Boukadoum và Tahar Bahi [2] có sử
dụng giải thuật Logic Mờ để điều khiển bộ lọc sóng hài tích cực với số luật Mờ là
15 luật. Đề tài này nghiên cứu tương tự nhưng có số luật Mờ là 49 luật sẽ cho tín
hiện điều khiển tinh hơn.
- Có áp dụng AI (Artificial Intelligence), cụ thể là Fuzzy Logic vào đề tài tiếp
cận xu hướng công nghệ 4.0.
1.7.

Phạm vi ứng dụng

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp ích trong việc đánh giá khả năng giảm
sóng hài của từng phụ tải đấu nối vào lưới điện phân phối từ đó giảm sóng hài trên
lưới điện, nâng cao chất lượng cung cấp điện cho khách hàng của Công ty Điện lực
An Giang.
1.8.

Nội dung đề tài

Ngoài phần mở đầu, nội dung nghiên cứu của đề tài được chia làm bốn
chương, với các nội dung như sau:
Chương: Mở đầu
Chương 1: Tổng quan chất lượng điện năng
Chương 2: Một số biện pháp hạn chế sóng hài
Chương 3: Mơ phỏng bộ lọc sóng hài tích cực bằng Matlab Simulink
Chương 4: Kết luận


HVTH: Lê Thanh Long

Trang 3/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG
1.1.

Khái niệm về chất lƣợng điện năng.

Chất lượng điện năng: Là tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm
việc ổn định, lâu dài đến hiệu suất làm việc của các thiết bị trong hệ thống điện.
Chất lượng điện năng còn bao hàm những yếu tố có thể ảnh hưởng tới sức khỏe của
người sử dụng điện.
Chất lượng điện năng là một chủ đề nghiên cứu rất rộng có ý nghĩa chiến lược
đối với toàn ngành điện và với các nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác, bảo
dưỡng quản lý, các nhà chế tạo thiết bị, vì các lí do sau:
- Tính chất cạnh tranh của nền kinh tế nên địi hỏi điện năng phải được đảm
bảo thường xuyên với chất lượng tốt mới thu hút được các nhà đầu tư.
- Việc suy giảm chất lượng điện năng làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất
thấp, tuổi thọ bị giảm.
- Vấn đề hiệu quả sử dụng điện năng ngày càng được quan tâm, do công
nghiệp chế tạo thiết bị điện phát triển và khách hàng đã sử dụng nhiều loại thiết bị
“thông minh” với hiệu quả năng lượng ngày càng cao nhưng cũng khắt khe hơn
như: Hệ thống truyền động điện sử dụng bộ điều tốc điện tử công suất, các hệ thống
chỉnh lưu và nghịch lưu, các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng và điều khiển

điện áp trong hệ thống điện. Chính những loại thiết bị điện này là nguyên nhân gây
ra vấn đề về chất lượng điện năng, đặc biệt là sự xuất hiện của sóng hài điện áp và
dòng điện trong lưới điện phân phối.
- Hệ thống cung cấp và sử dụng điện hiện đại là một hệ thống phức tạp, tích
hợp cao, sự làm việc và hỏng hóc của một phần tử trong hệ thống có thể ảnh hưởng
đến các phần tử khác thậm chí đến tồn hệ thống.
Có nhiều cách hiểu và định nghĩa khác nhau về chất lượng điện năng tùy
thuộc và quan điểm của người đánh giá.
- Theo IEEE (Institue of Electric and Electronic Engineers): 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.
- Đối với đơn vị cung cấp điện: Được hiểu là chất lượng điện áp, tần số và độ

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 4/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

tin cậy cung cấp điện theo quy định;
- Đối với nhà sản xuất thiết bị điện: Là tập hợp các thông số của điện năng
được cung cấp đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt. Tập hợp các thơng số này có thể
rất khác nhau đối với từng chủng loại thiết bị và từng nhà sản xuất, khách hàng sử
dụng điện.
- Khách hàng sử dụng điện: Thường đánh giá chất lượng điện năng theo quan
điểm an toàn, đảm bảo tiện nghi và hiệu quả sản xuất, tiêu dùng.
- Theo quan điểm của Ngành điện: Hiện nay thì khách hàng sử dụng điện là

đối tượng ln được quan tâm, chăm sóc ngày càng tốt hơn. Do đó có thể hiểu chất
lượng điện năng là các vấn đề liên quan đến việc làm cho hoạt động của thiết bị
điện của khách hàng hoặc của đơn vị được cung cấp điện tốt nhất.
Bài toán đánh giá quan hệ đảm bảo chất lượng của điện năng ngày càng trở
nên phức tạp theo cách nhìn của từng đối tác.
 Đối với nhà sản xuất thiết bị điện là giá thành sản phẩm. Một thiết bị điện
nếu được chế tạo để có thể hoạt động bình thường trong một dải biến thiên rộng của
thông số chất lượng điện năng thường có giá thành cao.
 Đối với đơn vị cung cấp điện: Nâng cao chất lượng điện năng thường đồng
nghĩa với những khoản đầu tư lớn để nâng cấp lưới điện, vì vậy nếu khơng có
những điều kiện pháp lý ràng buộc, các đơn vị cung cấp điện thường không thực
hiện những giải pháp nâng cao chất lượng điện năng vì sẽ tốn kém chi phí.
Tuy nhiên, trong điều kiện thị trường điện lực phát triển, các ràng buộc kỹ
thuật trong hợp đồng mua bán điện liên quan đến chất lượng điện năng sẽ là áp lực
để các đơn vị cung ứng điện có trách nhiệm hơn trong việc đảm bảo chất lượng điện
năng cho khách hàng sử dụng điện. Chất lượng điện năng cũng sẽ ảnh hưởng trực
tiếp đến hiệu quả sử dụng điện năng, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chi phí và tiện
nghi của khách hàng. Ngược lại, nhiều thiết bị sử dụng điện của khách hàng lại là
nguyên nhân gây nên những ảnh hưởng đến Chất lượng điện năng đối với lưới điện
và các tải lân cận.
1.1.1.

Các tiêu chuẩn về chất lƣợng điện năng.

1.1.2.

Chất lƣợng tần số.

- Chất lượng tần số được đánh giá bằng độ biến thiên tần số so với tần số định


HVTH: Lê Thanh Long

Trang 5/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

mức của hệ thống điện độ biến thiên tần số được tính như sau:
|

|

Trong đó:
ft : Tần số thực tế
fđm : Tần số định mức
- Chất lượng tần số còn được đánh giá dựa trên độ dao động tần số, được đặc
trưng bởi độ biến thiên giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tần số khi tốc độ
tần số biến thiên nhanh hơn 1 %/s.
- Thông tư số 39/2015/BCT [3] quy định: Tần số danh định trong hệ thống
điện quốc gia là 50 Hz. Trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao
động trong phạm vi ± 0,2 Hz so với tần số danh định. Trường hợp hệ thống điện
chưa ổn định, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi ± 0,5 Hz so với tần
số danh định.
1.1.3.

Chất lƣợng điện áp

Điện áp là một trong những đại lượng đặc trưng cho chất lượng điện năng của

hệ thống điện. Có thể mơ tả điện áp của một thiết bị điện hoặc hệ thống điện thông
qua các trị số.
- Điện áp tức thời, u(t): Là trị số điện áp ứng với một thời điểm nhất định,
được biểu diễn bằng hàm số sau:
Trong đó:
Umax: Biên độ điệp áp (V);
f: Tần số (Hz);
φ: Góc pha điện áp (o);
Trị số điện áp viết theo (1.2) là thành phần sóng điện áp ở tần số cơ bản.
-

Điện áp hiệu dụng, Urms: Là trị số điện áp được tính theo công thức sau:
√ ∫ [

HVTH: Lê Thanh Long

]

Trang 6/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Trong đó:
+ u(t): Trị số điện áp tức thời (V);
+ T: Chu kỳ thời gian khảo sát (giây);
Điện áp hiệu dụng cũng là 1 đại lượng thay đổi theo thời gian. Với dạng điện
áp như (1.2) trong đó biên độ điện áp Umax khơng thay đổi thì trị số điện áp hiệu

dụng sẽ là.
√

- Biến thiên điện áp: Là sự sai khác giữa điện áp vận hành và điện áp danh
định biểu diễn bằng phần trăm điện áp danh định gọi là độ biến thiên điện áp phần
trăm.

Trong đó:
Ut : Điện áp vận hành
Uđm : Điện áp định mức.
- Theo quy định chất lượng điện áp trong chế độ xác lập của hệ thống điện,
thì biến thiên điện áp dài hạn được đặc trưng bởi độ biến thiên điện áp cho phép. Đó
là giới hạn thay đổi của điện áp vận hành trong đó các thiết bị điện làm việc an tồn,
tin cậy:
δU– ≤ δU ≤ δU+
Trong đó: U và U+ : Các giới hạn dưới và giới hạn trên của độ biến thiên
điện áp.
- Một số tiêu chuẩn trên thế giới của biến thiên điện áp quy định như sau:
 Tiêu chuẩn châu Âu: EN 50160 quy định U = ±10 %; xác suất 95 %.
 Tiêu chuẩn Úc: AS60038 quy định với Uđm = 240V, -2 % ≤ U ≤ +10 %;
xác suất 95 % và -6 % ≤ U ≤ +10 %; xác suất 99 %.
 Tiêu chuẩn về độ biến thiên điện áp ở Việt Nam [3]:
 Trong chế độ vận hành bình thường, điện áp vận hành tại điểm đấu nối
được phép dao động so với điện áp danh định như sau:

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 7/88



Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

 Tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện là U = ±5 %;
 Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là – 5 % ≤ U ≤ +10 %.
 Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khơi phục vận hành sau sự
cố, cho phép mức biến thiên điện áp tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện
bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5 % và -10 % so với điện áp danh
định.
 Trong chế độ sự cố nghiêm trọng trên hệ thống truyền tải điện hoặc khôi
phục sự cố, cho phép mức biến thiên điện áp trong khoảng ±10 % so với điện áp
danh định.
- Nhấp nháy điện áp:
 Nhấp nháy (flicker): Là ấn tượng không ổn định của thị giác do sự kích
thích của ánh sáng có quang thông dao động theo thời gian. Nhấp nháy là cảm giác
không thoải mái của thị lực con người do sự thay đổi của cường độ ánh sáng của
nguồn sáng. Quang thông của các thiết bị chiếu sáng phụ thuộc điện áp nên việc
đánh giá hiện tượng dao động điện áp được thực hiện thơng qua những kiến thức về
q trình sinh lý trong quá trình sự cảm nhận nhấp nháy ánh sáng của con người.
 Các mức nhấp nháy điện áp:
 Mức nhấp nháy ngắn hạn (Pst) là giá trị đo được trong khoảng thời gian
mười (10) phút bằng thiết bị đo nhấp nháy. Nó là đại lượng khơng đơn vị, đặc trưng
cho mức độ xấu của nhấp nháy. Pst = 1 tương ứng với giới hạn không được vượt
qua để tránh sự mệt mỏi cho người quan sát đối với bất kỳ loại nhấp nháy nào.
 Mức nhấp nháy dài hạn (Plt) được tính từ 12 kết quả đo Pst liên tiếp (trong
khoảng thời gian hai giờ), theo công thức:
√

∑


Trong đó: Plt là tiêu chuẩn đánh giá nhấp nháy dài hạn khi xem xét các sự kiện
nhấp nháy với các chu kỳ lớn hơn hoặc khi một số phụ tải gây nhấp nháy đồng thời
vận hành. Giới hạn mức nhấp nháy dài hạn là 0,8.
 Độ biến thiên điện áp tương đối: Ngoài các mức nhấp nháy nêu trên, dao

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 8/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

động điện áp cịn có thể đặc trưng bởi độ biến thiên điện áp tương đối:

Trong đó:
ΔU = (U max – U min ): Mức biến thiên điện áp

U : Điện áp trung bình trong một khoảng thời gian;
d: được tính theo trị số hiệu dụng ΔU và U và U = Udđ để phù hợp với những
thay đổi về quang thông ánh sáng.
 Tiêu chuẩn về nhấp nháy điện áp ở Việt Nam [3] như sau:
Bảng 1-1: Mức nhấp nháy điện áp
Cấp điện áp
110 kV

Trung áp


Hạ áp

1.2.

Sóng hài trong hệ thống điện

1.2.1.

Khái niệm

Mức nhấp nháy cho phép
Pst95% = 0,8
Plt95% = 0,6
Pst95% = 1,0
Plt95% = 0,8
Pst95% = 1,0
Plt95% = 0,8

Trong hệ thống điện xoay chiều, nguồn điện áp sinh ra bởi các nhà máy điện
thường là có dạng hình sin với tần số 50 Hz hoặc 60 Hz. Nếu các nguồn điện cung
cấp cho các phụ tải tuyến tính thì dịng điện tải cũng tuyến tính, tức là dịng điện
cũng là một dạng sóng thuần sin với tần số bằng tần số cơ bản.
Thực tế tồn tại rất nhiều loại phụ tải phi tuyến, là loại tải mà điện áp và dịng
điện có mối quan hệ khơng tuyến tính (ví dụ như máy tính, lị hồ quang, nhà máy
thép, nhà máy xi măng ...). Các phụ tải này sẽ gây méo dạng dòng điện trên lưới.
Nói cách khác, phụ tải phi tuyến gây ra hiện tượng méo dạng sóng của dịng điện và
lan truyền trong hệ thống điện.
Việc nghiên cứu và tính tốn những ảnh hưởng của hiện tượng méo dạng sóng
hài đang được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. Một trong những phương pháp
phổ biến nhất hiện này là sử dụng lý thuyết về sóng hài. Theo lý thuyết này, một

dạng sóng khơng sin bất kỳ sẽ được phân tích thành tổng của các sóng điều hịa

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 9/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

hình sin (chuỗi Fourier). Những sóng điều hịa dạng sin có tần số khác với tần số cơ
bản được gọi là sóng hài. Trên thực tế, việc áp dụng lý thuyết về sóng hài vào việc
giải bài tốn méo dạng điện áp có những hạn chế và phạm vi ứng dụng nhất định.
Hiện nay, phương pháp sóng hài với tần số cao đang là một trong những phương
pháp phổ biến nhất dùng để tính tốn trong hệ thống điện.

V=IhZn

Ih

Nguồn

Zn
Ih

Phụ tải
phi tuyến

- Với phương pháp này, sóng hài được hiểu là các sóng tuần hồn hình sin và

có tần số là bội số ngun của tần số cơ bản (50 Hz hoặc 60 Hz).
Trong đó:
fh là tần số của sóng hài
f1 là tần số của sóng cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)
h là số nguyên dương (h=1, 2, 3..)
- Bên cạnh khái niệm về sóng hài bậc cao, người ta còn đưa ra khái niệm về
liên sóng hài bậc cao (interharmonics) và phụ sóng hài bậc thấp (subharmonics).
 Liên sóng hài bậc cao: Là các thành phần sóng có tần số nằm giữa hai thành
phần sóng hài bậc cao liên tiếp hay nói cách khác chúng là các bội không nguyên
của tần số cơ bản.
 Phụ sóng hài bậc thấp: Là các thành phần sóng có tần số nhỏ hơn tần số cơ
bản.

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 10/88


Luận văn thạc sĩ

1.2.2.

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Nguyên nhân gây ra sóng hài và ảnh hƣởng

1.2.2.1. Nguyên nhân gây ra sóng hài
Sóng hài trong hệ thống điện được gây ra bởi các phần tử phi tuyến như các
thiết bị điện tử công suất, các máy biến áp công suất lớn với mạch từ bão hòa, các lò
hồ quang điện, lò nấu thép, nhà máy xi măng ... Các thiết bị này có thể chia thành

các nhóm như sau:
- Các thiết bị có hiện tượng bão hịa mạch từ:
 Các thiết bị này bao gồm các động cơ, máy biến áp,.... là các thiết bị có cấu
trúc lõi thép. Đặc tính làm việc phi tuyến kèm theo đó là sóng hài được gây ra bởi
đặc tính từ hóa khơng tuyến tính của lõi thép.
V0

3

vùng bão hồ

2

vùng trung
gian

1

vùng khơng bão
hịa (tuyến tính)

Im
Hình 1-1: Đường cong từ hóa máy biến áp
 Các máy biến áp lực được chế tạo để hoạt động trong vùng tuyến tính của
đường cong bão hịa mạch từ, nằm dưới điểm bắt đầu đi vào vùng bão hòa. Nếu
máy biến áp vận hành tại điện áp nhỏ hơn hoặc bằng điện áp định mức, dịng điện từ
hóa máy biến áp có quan hệ tuyến tính so với điện áp. Nếu máy biến áp vận hành
với điện áp lớn hơn điện áp định mức (ví dụ khi làm việc non tải), điểm làm việc sẽ
đi dần vào vùng bão hòa của lõi thép (vùng phi tuyến). Khi đó dịng từ hóa máy
biến áp sẽ biến đổi khơng tuyến tính so với điện áp, phát sinh ra các sóng hài.

 Thực tế, để tiết kiệm vật liệu, điểm làm việc ứng với giá trị điện áp định
mức của các máy biến áp lực thường được chọn tương ứng với điểm có giá trị bằng
khoảng 0,9 lần giá trị bắt đầu vào vùng bão hịa. Do đó, máy biến áp có thể vận

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 11/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

hành tới điện áp bằng 110 % điện áp định mức mới bắt đầu xảy ra hiện tượng bão
hịa mạch từ.

Hình 1-2: Sóng hài đo tại xưởng giặt do các thiết bị điện tử cơng suất

Hình 1-3: Sóng hài của phân xưởng Inox Hồng Vũ có máy biến áp cơng suất lớn
- Các thiết bị có hiện tượng phóng điện: Các thiết bị thuộc nhóm này bao gồm
lị hồ quang điện, đèn huỳnh quang, màn hình CRT,... Các thiết bị này hoạt động
dựa trên sự phóng điện.
 Lị hồ quang: Sử dụng nhiệt năng chuyển từ điện năng để nấu chảy kim
loại. Trong suốt q trình vận hành, tia lửa điện do lị hồ quang phát ra thay đổi liên
lục và hoàn toàn ngẫu nhiên, khơng theo chu kỳ. Do đó, sóng hài sinh ra từ các lị
hồ quang khơng thể dự đốn được. Qua phân tích, trong giai đoạn đầu của quá trình
luyện kim khi kim loại chưa nóng chảy nhiều, dịng điện hồ quang bao gồm một dải
liên tục các sóng hài bậc ngun và khơng ngun. Trong đó các thành phần hài bậc
nguyên từ bậc 2 đến bậc 7 thường chiếm tỷ lệ cao trong thành phần sóng hài của
dịng hồ quang. Khi mức kim loại nóng chảy trong bể tăng lên, dòng hồ quang cũng


HVTH: Lê Thanh Long

Trang 12/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

trở nên ổn định hơn, độ méo dạng điện áp giảm, các sóng hài bậc chẵn và khơng
ngun được triệt tiêu dần.

Hình 1-4: Sóng hài của lị hồ quang nhà máy gang thép Thái Nguyên
 Các loại đèn phóng điện:
 Các loại đèn này, điển hình là đèn huỳnh quang hoạt động dựa trên hiện
tượng phóng điện giữa 2 bản cực trong khí kém. Đèn được cấu tạo bởi hai điện cực
đặt ở hai đầu của một ống thủy tinh có phủ bột huỳnh quang và bơm vào các khí
kém như thủy ngân, ni tơ,... Để hoạt động cần đặt một điện áp lớn lên hai cực nhờ
chấn lưu, qua đó kích thích sự phóng điện giữa hai bản cực và làm xuất hiện dịng
điện trong ống huỳnh quang. Khi dịng điện phóng điện được thiết lập, điện áp giữa
2 cực sẽ giảm xuống, đồng thời chấn lưu sẽ đóng vai trị như một thiết bị giới hạn
dịng phóng điện.
 Có 2 loại chấn lưu: chấn lưu điện từ và chấn lưu điện tử. Loại chấn lưu điện
từ được cấu tạo đơn giản bởi một lõi thép kỹ thuật điện. Loại chấn lưu điện tử là
một bộ đóng cắt điện áp, đồng thời biến đổi điện áp ngõ vào từ tần số cơ bản thành
tín hiệu có tần số 25 – 40 kHz.
 Loại chấn lưu điện từ sinh ra dòng điện méo dạng với độ méo dạng khoảng
15% và chủ yếu là thành phần bậc 3. Loại chấn lưu điện tử sinh ra dịng điện méo
dạng với độ méo dạng tồn phần từ 10 - 32 %.

 Các bộ thiết bị điện tử công suất:
 Các thiết bị điện tử công suất thường được sử dụng trong hệ thống điện dựa
vào sự đóng, cắt các van bán dẫn như diode, thyristor, triac,... Các thiết bị này làm

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 13/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

cho dịng điện, điện áp bị méo dạng và sinh ra sóng hài.
 Trên thực tế, các bộ biến đổi điện tử công suất ngày càng được sử dụng
rộng rãi bao gồm: các bộ chỉnh lưu DC, các bộ nghịch lưu AC, các bộ biến tần điều
chỉnh công suất động cơ AC, các bộ đóng cắt các thiết bị bù tĩnh như SVC, TSC,....

Hình 1-5: Sơ đồ ngun lý và dạng sóng dịng điện đi qua bộ chỉnh lưu cầu 1 pha

Hình 1-6: Sóng hài của hệ thống điều hịa LG tại trung tâm hội nghị MIPEC – Tây
Sơn – Hà Nội
1.2.2.2. Ảnh hƣởng của sóng hài
Cùng với việc sử dụng các thiết bị điện tử, điện tử công suất ngày càng phổ
biến là tình trạng ơ nhiễm sóng hài trong hệ thống ngày một tăng cao. Trong khi đó,
ở Việt Nam, việc đánh giá, chế tài sóng hài chưa được quan tâm. Thậm chí trong

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 14/88



Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

khu vực phụ tải công nghiệp và thương mại, khái niệm bộ lọc sóng hài cũng chưa
hồn tồn được phổ biến. Một ngun nhân dẫn đến hiện tượng này là do chưa nhận
thức về các tác hại của sóng hài có thể gây ra trong hệ thống điện.
Vì vậy, một lượng lớn các thiết bị điện không được bảo vệ tốt trước các ảnh
hưởng của sóng hài. Những tác động chính của sóng hài như sau:
- Tăng tổn thất công suất tác dụng của hệ thống điện.
- Làm giảm chất lượng điện năng, hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
- Gây ra các hiện tượng cộng hưởng, làm hư hỏng các thiết bị trong hệ thống
điện.
- Làm cho các thiết bị bảo vệ tác động sai, thiết bị đo lường hoạt động khơng
chính xác.
- Làm nhiễu các hệ thống radio, chiếu sáng.
Tác động tiêu cực của sóng hài đối với các loại thiết bị cụ thể như sau:
- Dây dẫn:
 Tổn thất công suất trên dây dẫn là tổn thất do phát nhiệt với tần số cơ bản:
 Khi xuất hiện dòng điện hài thì dịng hiệu dụng là:

√

∑

Trong đó:
Irms là giá trị dịng điện hiệu dụng của dịng điện khi có dòng hài
I0 là giá trị dòng điện một chiều

In là giá trị hiệu dụng của dòng điện ở bậc n (tần số n.f0)
 Khi xuất hiện sóng hài thì khơng chỉ giá trị hiệu dụng của dòng điện thay
đổi, mà điện trở R của dây dẫn cũng thay đổi với các sóng hài có tần số khác nhau
dưới ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng gần (proximity
effect).
 Hiệu ứng bề mặt dẫn đến điện trở của dây dẫn tăng khi tần số tăng cao.

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 15/88


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên

Điện trở của dây dẫn dưới tác động của hiệu ứng bề mặt được tính theo cơng thức:

Trong đó:
L là chiều dài dây dẫn
ρ là điện trở suất của đường dây
δ là độ sâu bề mặt (skin-depth) được tính theo cơng thức
√
Với  ,  r , 0 lần lượt là tần số góc, độ từ thẩm của vật liệu làm dây dẫn và độ
từ thẩm của khơng khí.
 Hiệu ứng gần xảy ra khi các dây dẫn dẫn điện xoay chiều đặt cạnh nhau.
Điện trở dây dẫn dưới tác động của hiệu ứng gần được tính theo cơng thức:
(

)


Trong đó:
RDC là điện trở dây dẫn với dòng điện một chiều
Re() là phần thực của biểu thức trong ngoặc
m là số lớp của phần tử.

√

 là điện trở suất của đường dây

 , 0 lần lượt là tần số góc và độ từ thẩm của khơng khí

N số vịng trên một lớp

HVTH: Lê Thanh Long

Trang 16/88