Đánh giá tổn thất điện năng do sóng hài trên lưới điện hạ áp sinh hoạt trong các tòa nhà chung cư

PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 467 
ĐÁNH GIÁ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG DO SÓNG HÀI 
TRÊN LƯỚI ĐIỆN HẠ ÁP SINH HOẠT 
TRONG CÁC TÒA NHÀ CHUNG CƯ 
Phạm Xuân Hào, Nguyễn Hồng Phi, 
Bạch Quốc Khánh, Nguyễn Văn Minh 
Đại học Bách khoa Hà Nội 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện gia dụng sử dụng các linh kiện 
điện tử trong điện sinh hoạt đã đem lại sự hiệu quả và tiện nghi trong cuộc sống hàng 
ngày của chúng ta. Ứng dụng inverter cho điều hòa, tủ lạnh giảm tiêu hao điện năng của 
các thiết bị này. Đèn huỳnh quang và đèn LED hiện nay đã trở thiết bị chiếu sáng chính 
trong các tòa nhà. Các thiết bị dùng nguồn ổn áp như ti vi, máy vi tính sẽ tạo ra sự ổn 
định cho các thiết bị này trong khi làm việc. Tuy nhiên các thiết bị này cũng là nguồn 
phát sinh sóng hài đưa vào hệ thống điện. Từng thiết bị có thể sinh ra lượng sóng hài 
nhỏ, tuy nhiên những nơi có mật độ phụ tải cao như trong hệ thống cung cấp điện 
(HTCCĐ) các tòa nhà chung cư cao tầng, đặc biệt ở những giờ phụ tải cao điểm, lượng 
sóng hài được bơm vào lưới điện trở nên đáng kể. Một trong những tác động chính của 
sóng hài là làm gia tăng phát nóng và làm tăng tổn thất điện năng (TTĐN) trên các phần 
tử tải điện và tiêu thụ điện. Sóng hài làm gia tăng điện trở của các phần tử tải điện do 
hiệu ứng mặt ngoài. Sóng hài làm gia tăng trị số hiệu dụng của dòng điện chạy trên các 
dây dẫn. Từ thông do sóng hài sinh ra làm gia tăng phát nóng lõi thép của động cơ và 
máy biến áp. Sóng hài bậc ba và bội số nguyên của bậc ba đi vào mạch trung tính làm 
gia tăng tổn thất trên dây trung tính Việc gia tăng TTĐN trên lưới điện khiến tăng hóa 
đơn mua điện của các đơn vị quản lý điện các khu chung cư. Việc gia tăng phát nóng 
phụ trong các phụ tải như động cơ sẽ làm gia tăng hóa đơn dùng điện của khách hàng 
dùng điện. Do đó việc đánh giá sự gia tăng TTĐN trên lưới điện và phụ tải do tác dụng 
ngày càng nhiều của sóng hài sinh ra từ các thiết bị điện sinh hoạt sẽ cho một cái nhìn rõ 
hơn về tác động của sóng hài, đặc biệt đối với khu vực lưới điện có mật độ phụ tải cao 
như HTCCĐ của các tòa nhà chung cư. Cho đến nay, chưa có nhiều những đánh giá cụ 
thể TTĐN do sóng hài trong HTCCĐ các tòa nhà tại Việt Nam, do đó báo cáo này sẽ 
xây dựng mô hình tính toán TTĐN cho HTCCĐ của các tòa nhà có xét đến tác động của 
sóng hài từ các phụ tải điện sinh hoạt. TTĐN được tính toán lần lượt do sóng cơ bản và 
sóng hài. Việc tính toán được thực hiện cho một trường hợp là tòa nhà PACKEXIM 2 
(như một ví dụ tại Việt Nam) và giả thiết sóng hài của các thiết bị sinh hoạt ứng với một 
trường hợp sóng hài lớn từ [3] như một cảnh báo tác động sóng hài đến TTĐN trong 
468 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
HTCCĐ các tòa nhà. Việc mô phỏng lưới điện và tính toán TTĐN do sóng cơ bản và 
sóng hài được thực hiện trên Matlab có xét đến các đặc điểm thiết kế HTCCĐ của các 
nhà ở và nhà công cộng. 
2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 
Hai vấn đề chính trong bài toán đánh giá TTĐN do sóng hài là phương pháp mô 
phỏng và tính toán lưới điện ở tần số sóng hài và phương pháp đánh giá tổn thất điện 
năng trong HTCCĐ. 
a. Về đánh giá TTĐN, có rất nhiều phương pháp như đã nêu trong [1]. Đối với 
một HTCCĐ của tòa nhà chung cư bao gồm máy biến áp phân phối và lưới điện hạ áp 
cấp cho phụ tải trong phạm vi một tòa nhà thì có thể giả thiết đồ thị phụ tải (ĐTPT) của 
các phụ tải có hình dạng khá đồng nhất và có dạng ĐTPT điển hình của phụ tải sinh 
hoạt. Do đó, theo [1], phương pháp đánh giá TTĐN phù hợp nhất cho đối tượng 
HTCCĐ này là tính TTĐN theo ĐTPT điển hình. Theo phương pháp này, giả thiết 
ĐTPT của tất cả các phụ tải có dạng giống nhau. Từ đó xác định được công suất của 
từng phụ tải ở từng khoảng thời gian (từng giờ) và tính toán trào lưu công suất rồi rút ra 
tổn thất công suất (TTCS) trên các phần tử của lưới điện tương ứng với khoảng thời 
gian đó. Lặp lại tính toán này cho tất cả các khoảng thời gian khác trong chu kỳ khảo sát 
của ĐTPT (chẳng hạn 24g cho ĐTPT ngày). Như vậy TTĐN phụ thuộc dòng điện của 
từng phần tử (đường dây và máy biến áp) trên lưới điện sẽ được xác định theo công 
thức sau: 
 ∆ۯ۷ = ׬ ∆۾(ܜ)܂૙ = ∑ ∆۾ܑ. ∆ܜܑܑ܂ୀ૚ (1) 
Trong đó: Pi: TTCS của phần tử trong khoảng thời gian ti; 
 T: Chu kỳ thời gian của ĐTPT. 
TTĐN của toàn lưới điện sẽ được tổng hợp như sau: 
 ∆ۯ = ∑ ∆ۯۺܑܖۺܑୀ૚ + ∑ ൫∆ۯ۰ܒ + ∆ۯ૙۰ܒ൯ܖ۰ܒୀ૚ (2) 
Trong đó: nL và nB: Số nhánh đường dây và số nhánh MBA trên lưới phân phối 
 đang xét; 
 ALi: TTĐN của phần tử đường dây i; 
 ABj và A0Bj: TTĐN có tải và không tải của phần tử MBA j. 
Trong báo cáo này, việc phân tích tính toán trào lưu công suất của lưới điện để 
tính TTCS trên các phần tử của lưới điện cho từng khoảng thời gian được lập trình trên 
Matlab sử dụng phương pháp lặp quét xuôi (forward sweep) và quét ngược (backward 
sweep) được sử dụng trong tính toán phân tính lưới phân phối [5] với sơ đồ khối như sau: 
PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 469 
Hình 1: Sơ đồ khối tính toán TTCS của HTCCĐ tòa nhà ở tần số cơ bản 
b. Về tính toán lưới điện ở tần số sóng hài, báo cáo sử dụng phương pháp phân 
tích sóng hài trực tiếp [4], trong đó các phần tử trên lưới điện được mô phỏng theo mô 
hình thông số tập trung ở tần số của sóng hài. 
Máy biến áp: 
 Z୆୦ = R୆√h + jX୆. h (3) 
Mô hình đường dây có xét hiệu ứng bề mặt: 
 ܼ௅௛ = ܴ௅ ቂ1 + ଴,଺ସ଺.௛
మ
ଵଽଶା଴,ହଵ଼.௛మቃ + ݆ܺ௅. ℎ (4) 
Mô hình phụ tải thụ động: 
 R୦ = ୙
మ.ଵ଴య
(଴,ଵ୦ା଴,ଽ).୔ [Ω, kV, kW]; X୦ =
୙మ.ଵ଴య
(଴,ଵ୦ା଴,ଽ).୕ [Ω, kV, kVAr] (5) 
Việc tính toán dòng điện sóng hài trên các phần tử tải điện được tính toán theo 
phương pháp phân tích trực tiếp sử dụng ma trận tổng dẫn nút ở tần số sóng hài: 
 [Ih] = [Yh][Vh] (6) 
Trong đó Ih]: Ma trận [1 × n] nguồn dòng điện ở bậc sóng hài h của n nút. Các 
nút không có tải sinh sóng hài lấy giá trị 0. Các nút có tải sinh sóng hài 
thì lấy giá trị dòng điện ở bậc sóng hài h. 
 [Yh]: Ma trận [ܖ × ܖ] tổng dẫn hệ thống tại tần số h: 
 [܇ܐ] =
ۏ
ێێ
ێ
ۍܡܐ૚૚  ܡܐ૚ܑ⋮ ⋱ ⋮
ܡܐܑ૚  ܡܐܑܑ
 ܡܐ૚ܖ
⋱ ⋮
 ܡܐܑܖ
⋮ ⋱ ⋮
ܡܐܖ૚  ܡܐܖܑ 
⋱ ⋮
 ܡܐܖܖے
ۑۑ
ۑ
ې
 (7) 
470 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Trong đó: yhki: Tổng dẫn giữa nút i và k ở bậc h (tổng dẫn của phần tử lưới điện 
nối giữa nút i và nút k); 
yhii: Tổng dẫn riêng của nút i ở bậc h (tổng dẫn của các tải tải thụ động 
nối vào nút i); 
[Vh]: Ma trận [1 × n] điện áp nút ở bậc sóng hài h. 
Việc tính toán TTCS của lưới điện ở bậc sóng hài h được lập trình trên Matlab 
bao gồm tính toán điện áp các nút ở bậc sóng hài theo (6) bằng phương pháp khử Gauss 
và suy ra dòng điện trên các nhánh của lưới điện ở bậc sóng hài h để từ đó rút ra TTCS 
ứng các nhánh và tải thụ động với bậc sóng hài đó. Trong phần này, ma trận nguồn 
dòng sóng hài bơm vào lưới [Ih] được xây dựng cho từng thời đoạn ứng với ĐTPT của 
các phụ tải phát sóng hài. 
Việc tính TTĐN của lưới điện ở bậc sóng hài h được thực hiện theo (1) trong đó 
với TTCS của lưới điện ở bậc sóng hài h được tính như trên cho từng thời đoạn ứng với 
ĐTPT của các phụ tải phát sóng hài. Việc tính TTĐN của tất cả các bậc sóng hài là sự 
tổng hợp của TTĐN của từng bậc sóng hài. 
Sơ đồ khối các bước tính toán như Hình 2. 
Hình 2: Sơ đồ khối tính toán TTĐN do sóng hài gây ra trong HTCCĐ 
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 
Tính toán TTĐN do sóng hài gây ra với HTCCĐ tòa nhà PACKEXIM 2 gồm 18 
tầng, mỗi tầng 12 căn hộ, với ĐTPT ngày điển hình chia làm 2 mùa (đông và hè). 
a. Số liệu lưới điện: HTCCĐ của tòa nhà PACKEXIM 2 lấy điện từ TBAPP và 
cấp đến tủ phân phối điện chính TPP C. Lưới có dạng liên thông đến các tủ phân phối 
cụm tầng TPP CT rồi đến tủ phân phối từng tầng TPP T như Hình 3. 
PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 471 
Hình 3: HTCCĐ tòa nhà PACKEXIM 2 từ TBAPP đến phụ tải là các tủ phân phối điện tầng 
Bảng 1. Số liệu lưới điện 
Đường dây Máy biến áp phân phối 
Nhánh CU/PVC (mm2) R ( / )km X ( / )km 22/0,4 kV, 1250 kVA 
L0 4(1,300) 0,0601 0,06 0,12 P0 = 1,5(W), I0 = 1,5% 
L1 4(1,95) + E(1,50) 0,193 0,06 0,12 PN = 14(W), uN = 6% 
L2 4(1,50) + E(1,25) 0,387 0,06 0,12 
b. Số liệu phụ tải: Các số liệu dưới đây về phụ tải điển hình cho 1 căn hộ. Phụ tải 
chiếu sáng được đánh giá dựa trên diện tích chiếu sáng và yêu cầu chiếu sáng theo Quy 
chuẩn xây dựng QCXDVN 05:2008/BXD. Hệ số đồng thời Kđt theo bảng 2. Điều hòa 
được đánh giá theo diện tích sử dụng. Một tủ lạnh, một TV và một máy tính để bàn. 
Bảng 2. Thông số tải phát thải sóng hài của một căn hộ 
Thông số Đèn Điều hòa Tivi Tủ lạnh PC 
P(kW) 0,7 1,5 0,08 0,1 0,2 
cosφ 0,6 0,98 0,66 0,6 0,53 
S(kVA) 0,7 + 0,93333j 1,5 + 0,30459 j 0,08 + 0,09106j 0,1 + 0,13333j 0,2 + 0,32j 
Thời gian sử 
dụng T 18 23g 
0 6, 11 13g 
và 18 24g 
11 13g và 
18 24g 0 24g 19 23g 
Kđt 0,9 0,8 1 1 1 
472 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Từ ĐTPT điển hình của phụ tải từng căn hộ, xây dựng ĐTPT điển hình của một 
căn hộ như Hình 4. 
Hình 4: Tổng hợp ĐTPT điển hình ngày hè và đông của một căn hộ 
Phụ tải một nút (tủ điện tầng 1  18): ௧ܲ௚ = ܭđ௧. 12. ௖ܲ௛ (hệ số đồng thời Kđt = 
0,63 theo IEC). 
c. Tính TTĐN với sóng cơ bản (50Hz): Sử dụng phương pháp tính toán TTĐN 
theo ĐTPT điển hình như đã nêu ở Mục 2, báo cáo tính được kết quả như sau: 
Bảng 3. TTCS của HTCCĐ tòa nhà theo từng khoảng thời gian 
Mùa thu 
đông 
T (h) 
(0  11); (13  18); 
(23  24) 11  13 18  19 19  23 
ΔP(W) 281,84 456,55 4143,40 6468,30 
Mùa xuân 
hè 
T (h) (0  6); (23  24) (6  11); (13  18) 11  13 18  19 19  23 
ΔP(W) 4192,5 281,84 4792,9 12172 15831 
 Tống tổn điện năng ở LĐTN do sóng cơ bản: ΔA1 = 29,05 MWh. 
d. Tính TTĐN do sóng hài: Xây dựng ma trận [Ih] cho từng bậc sóng hài: Phổ 
sóng hài của các thiết bị sinh hoạt phát thải sóng hài có thể thay đổi rất đa dạng và rất 
phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và đặc điểm sử dụng của thiết bị điện. Với ý nghĩa 
cảnh báo vấn đề TTĐN của lưới điện do sóng hài từ các thiết bị sinh hoạt, báo cáo này 
tham khảo phổ sóng hài với tỷ lệ khá lớn [3] như Bảng 4 dưới đây: 
PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 473 
Bảng 4. Phổ sóng hài các thiết bị [3] 
Thiết bị I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 
Đèn 100% 35% 27% 10% 2,5% 3,5% 1,5% 1,5% 
Điều hòa 100% 28% 48% 58% 14% 33% 9,5% 1,5% 
Tivi 100% 55,1% 36,8% 20,3% 11,4% 10,8% 0% 0% 
Tủ lạnh 100% 11% 4,7% 11% 7,1% 7,1% 0% 0% 
PC 100% 52,8% 43,5% 31,6% 19,3% 8,4% 0% 0% 
Từ ĐTPT sử dụng của các thiết bị phát thải sóng hài cho ở Bảng 2, ứng với từng 
khoảng thời gian trong ĐTPT ngày điển hình (Hình 4), dòng điện sóng hài ứng với từng 
bậc sóng hài h sẽ được tổng hợp cho từng nút tải (tủ phân phối tầng, nút 9 26 Hình 5). 
Hình 5: Sơ đồ đánh số HTCCĐ nhà khi phân tích tổn thất do sóng hài 
Trên sơ đồ Hình 5, khi xây dựng ma trận tổng dẫn [Yh], phần tổng dẫn riêng có 
xét đến các phụ tải thụ động ở các vị trí cụm tầng (nút 2 đến 8) bao gồm chiếu sáng sợi 
đốt và các hệ thống động cơ thông gió, thang máy. 
Với quy trình tính toán TTĐN như Hình 2, kết quả TTCS trên đường dây ΔPdd và 
gia tăng TTCS trên các phụ tải thụ động ΔPpt được tổng kết ở bảng dưới đây. 
Bảng 5. TTCS của HTCCĐ tòa nhà do sóng hài theo từng khoảng thời gian 
Mùa thu 
đông 
T (h) (0  11); (13  18); (23  24) 11  13 18  19 19  23 
ΔPdd (W) 2,37 29,22 785,87 1782,85 
ΔPpt (W) 196,44 2843,9 80624,35 179752,30 
ΔP (W) 198,81 2873,12 81410,28 181533,80 
474 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Mùa xuân 
hè 
T (h) (0  6); (23  24) 
(6  11); 
(13  18) 11  13 18  19 19  23 
ΔPdd (W) 2979,02 2,37 3365,80 6142,29 8607,37 
ΔPpt (W) 238053,8 196,44 273065,8 537318,9 766315,2 
ΔP (W) 241032,3 198,809 276424,4 543465,6 774926,3 
Tổng tổn thất điện năng trên đường dây do sóng hài trong 1 năm ΔAh = 14,23 
MWh. 
Gia tăng tiêu hao điện năng phụ tải Ah = 1241,96 MWh. 
3. KẾT LUẬN 
Báo cáo xây dựng mô hình tính toán TTĐN trong HTCCĐ của tòa nhà ở chế độ 
xác lập và các bậc sóng hài. Kết quả cho thấy TTĐN do sóng hài gây ra trên đường dây 
chiếm 0,67% tổng điện năng tiêu thụ. Khi lắp tụ bù, tuy TTĐN trên đường dây hầu như 
không đổi nhưng gia tăng tổn hao điện năng trên phụ tải giảm mạnh. Do đó có thể tham 
khảo khi cân nhắc các giải pháp giảm sự gia tăng TTĐN tại phụ tải khi có sóng hài. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương, Lê Văn Doanh, Bạch Quốc Khánh, Hoàng Hữu Thận, 
Phùng Anh Tuấn, Định Thành Việt, Sách tra cứu về chất lượng điện năng, NXB Bách khoa, 
2013. 
[2] Thomas Key, Jih Sheng Lai, Costs and benefits of harmonic current reduction for 
swtich mode power supplies in a commercial office building. 
[3] A.Priyadharshini, N.Devarajan, AR.Uma saranya, R.Anitt, Survey of Harmonics in Non 
Linear Loads, International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE), 
Volume 1, Issue 1, April 2012. 
[4] Jos Arrillaga, Bruce C Smith, Neville R Watson, Alan R Wood, Power system harmonic 
analysis, John Wiley & Sons, 1997. 
[5] W.H.Kersting, Distribution System Modeling and Analysis, CRC Press LLC, 2002. 
[6] Tài liệu tập huấn QCVN 12:2014/BXD về Hệ thống điện của nhà ở và nhà công cộng. 
[7] Thiết kế phần điện tòa nhà PACKEXIM 2. 
[8] Angelo Baggini, Handbook of Power Quality, ISBN: 987 0 470 06561 7, April 2008. 
[9] IEC 6100 4 7, Electromagnetic Compatibility (EMC), part 4: Limits, Section 7: General 
guide on harmonics and inter – harmonics measurements and instrumentation for power 
supplly systems and equipment connected thereto, 1991.