Phương pháp lọc sóng hài với tần số biến đổi trong hệ thống điện hạ áp

ất 
nhiều bộ lọc với tần số cộng hưởng khác 
nhau. Việc bố trí nhiều bộ lọc sẽ khiến 
cho giá thành thiết bị tăng cao, làm giảm 
tính kinh tế của các thiết bị. Ngoài ra, do 
các thiết bị lọc thụ động đều có khả năng 
bù công suất phản kháng nên tổng công 
suất của thiết bị này bị giới hạn bởi công 
suất bù lớn nhất. Việc bố trí nhiều bộ lọc 
sẽ khiến công suất của từng bộ lọc giảm 
đi dẫn tới việc giảm khả năng lọc sóng hài 
của từng bộ lọc. Do đó, nếu thiết kế được 
một bộ lọc sóng hài với tần số biến đổi sẽ 
giúp giảm giá thành sản phẩm, đồng thời 
nâng cao hiệu quả của việc lọc sóng hài 
của các phụ tải phi tuyến vì số lượng bộ 
lọc sẽ giảm đi và công suất mỗi bộ lọc 
tăng lên. 
3. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT LỌC 
SÓNG HÀI VỚI TẦN SỐ BIẾN ĐỔI 
Mục đích của phương pháp là xây dựng 
thiết bị lọc sóng hài dạng thụ động với tần 
số cộng hưởng thay đổi theo yêu cầu của 
phụ tải, qua đó nâng cao hiệu suất lọc 
sóng hài trong hệ thống điện. Ngoài ra 
thiết bị lọc sóng hài với tần số lọc biến đổi 
theo phụ tải sẽ làm giảm giá thành sản 
phẩm vì chỉ cần bố trí ít cuộn kháng hơn 
[13]. Các phần tử chính của thiết bị lọc với 
tần số biến đổi được thể hiện trên hình 3. 
Hình 3. Thiết bị lọc sóng hài thụ động 
với tần số biến đổi 
Thiết bị lọc thụ động với tần số biến đổi 
thực chất là thiết bị lọc dạng đơn có kết 
hợp thêm với các tụ điện mắc song song có 
thể điều khiển đóng cắt bằng hệ thống 
thyristor. Việc sử dụng các thuật toán điều 
khiển đóng cắt bằng thyristor sẽ giúp cho 
thiết bị này giảm được những ảnh hưởng 
của quá trình quá độ khi đóng cắt. Giúp 
tăng tuổi thọ thiết bị và tránh hỏng tụ điện. 
Thiết bị lọc với tần số biến đổi trong hình 
4 bao gồm 3 tụ điện 1, 2, 3, có công suất 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
74 Số 22 
khác nhau mắc song song, mỗi tụ điện 
này được điều khiển đóng cắt bằng các 
cặp gồm hai thyristo song song ngược 
chiều 41, 42, 43 nhằm thực hiện chức 
năng điều khiển thay đổi tần số cộng 
hưởng của thiết bị. 
Tần số cộng hưởng của thiết bị khi đóng 1 
tụ vào được tính theo công thức (1) [4]: 
L
C
X
X 1
1  (1) 
Khi đóng tụ thứ hai vào, lúc này hai tụ 
song song sẽ có giá trị điện trở tương 
đương như sau:
21
2 11
1
CC
Ctd
XX
X
 , khi 
đó tần số cộng hưởng của thiết bị lọc biến 
đổi theo công thức 2 [4]. 
L
CC
L
Ctd
X
XX
X
X 212
2
11
1
  (2) 
Cũng tương tự như vậy, khi đóng tụ thứ 
ba vào, tần số cộng hưởng của thiết bị 
theo công thức 3 [4]: 
L
CCC
L
Ctd
X
XXX
X
X 3213
3
111
1
  (3) 
trong đó: Xc1, Xc2, Xc3, XL điện kháng tụ 
C1, C2, C3 và cuộn dây L. 
Tần số cộng hưởng trị số của các giá trị 
Xc1, Xc2, Xc3 và XL sẽ được lựa chọn sao 
cho phù hợp với biên độ sóng hài do phụ 
tải gây ra khi thay đổi công suất. Ví dụ: 
nếu ta cần thay đổi tần số cộng hưởng của 
thiết bị tại sóng hài bậc 3, 5, 7 ta sẽ chọn 
v1=7, v2=5, v3=3 [11,12]. 
Sơ đồ khối nguyên lý bộ điều khiển thiết 
bị bù lọc với tần số biến đổi trong hình 
4 [13]. 
Hình 4. Sơ đồ khối của bộ điều khiển thiết bị lọc 
sóng hài thụ động với tần số biến đổi [13] 
Quá trình điều khiển thiết bị bù lai được 
thực hiện như trong hình 5. 
Trong khoảng thời gian nhất định, tiến 
hành so sánh các giá trị công suất phụ tải 
và điện áp điều khiển. Nếu không thỏa 
mãn thì kết thúc quá trình và tách thiết bị 
ra khỏi lưới điện (tránh hỏng hóc). Nếu 
thỏa mãn điều kiện điều khiển (công suất 
tải lớn hơn ngưỡng, điện áp trong dải cho 
phép) thì tiến hành tính toán, phân tích 
phổ sóng hài. Từ đây tìm ra một (hoặc 
một số sóng hài) có biên độ lớn nhất, đưa 
ra quyết định lựa chọn tần số lọc tối ưu và 
ra lệnh điều khiển đóng hoặc cắt thêm tụ 
điện nếu tổng công suất bù không vượt 
quá công suất bù lớn nhất. Nếu tổng công 
suất bù vượt quá công suất bù lớn nhất thì 
sẽ giảm lượng công suất bù của các thiết 
bị lọc bằng cách tách bớt tụ điện ra khỏi 
lưới (thay đổi tần số lọc) của từng bộ lọc. 
Do thiết bị lọc với tần số biến đổi là thiết 
bị thay đổi tần số lọc theo yêu cầu của 
phụ tải nên thiết bị này cần có bộ điều 
khiển với các thuật toán có khả năng phân 
tích sóng hài và tính toán để lựa chọn 
đóng cắt tụ điện (các thiết bị lọc thụ động 
hiện có không có thiết bị điều khiển). Do 
đó nó cũng phức tạp hơn so với những 
thiết bị lọc thụ động hiện có. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 75 
Hình 5. Thuật toán điều khiển của thiết bị lọc thụ động với tần số biến đổi [13] 
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Kết quả nghiên cứu được mô phỏng trên 
phần mềm Matlab Simulink 2014 trên cấu 
hình máy tính Dell Core i7 - 4Gb Ram và 
được thực hiện cho sơ đồ lưới điện như 
trong hình 7. 
Xem xét một thiết bị chỉnh lưu công suất 
200 kVA (phụ tải phi tuyến) tại một nhà 
máy có tổng công suất phụ tải là 800 kVA 
(600 kVA còn lại là phụ tải tuyến tính 
như hình 6) [13]. 
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của nhà máy 
có lắp đặt điều khiển lọc sóng hài 
Sơ đồ nguyên lý của bộ sóng hài sử dụng 
cho sơ đồ được thiết kế như hình 7. 
Hình 7. Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển sóng 
hài với tần số biến đổi 
Có 2 bộ thiết bị lọc sóng hài gồm thiết bị 
lọc sóng hài dạng đơn bậc 3 và thiết bị lọc 
sóng hài với tần số biến đổi. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
76 Số 22 
Thiết bị lọc sóng hài với tần số cố định 
lựa chọn các thông số như sau: 
 Tụ điện có Xc4=0,0484 Ω; 
 Kháng điện có XL4 = 0,005378 Ω. 
Cả tụ và kháng điện đều là thiết bị 1 pha, 
điện áp định mức 220 V, tần số 50 Hz. 
Thiết bị lọc sóng hài với tần số biến đổi 
như sau: 
 Tụ điện 1 có Xc1=0,0949 Ω; 
 Tụ điện 2 có Xc2=0,197633 Ω; 
 Tụ điện 3 có Xc3=0,01494 Ω; 
 Kháng điện có XL1 = 0,001936 Ω. 
Bảng 1. Sự thay đổi biên độ sóng hài 
của cuộn cảm theo góc mở α [13] 
α (độ) 90 120 135 150 180 
I3,А 0 19,9 15,3 6,6 0 
I5,А 0 4,0 3,1 4,0 0 
I7,А 0 1,4 2,2 1,4 0 
I9,А 0 2,0 1,0 0,2 0 
I11,А 0 0,7 0,8 0,7 0 
I13,А 0 0,4 0,5 0,4 0 
α (độ) 90 120 135 150 180 
I15,А 0 0,7 0,4 0,0 0 
I17,А 0 0,3 0,3 0,3 0 
I19,А 0 0,2 0,3 0,2 0 
I23,А 0 0,2 0,2 0,2 0 
I25,А 0 0,1 0,1 0,1 0 
I27,А 0 0,2 0,1 0,0 0 
I29,А 0 0,1 0,1 0,1 0 
I31,А 0 0,1 0,1 0,1 0 
I33,А 0 0,1 0,1 0,0 0 
I35,А 0 0,1 0,1 0,1 0 
I37,А 0 0,1 0,1 0,1 0 
I39,А 0 0,1 0,1 0,0 0 
Do đó trong trường hợp này, chúng ta sẽ 
xem xét đặt 2 bộ lọc sóng hài: một bộ có 
tần số cố định để lọc sóng hài bậc 3, bộ 
còn lại có 3 tần số lọc gồm bậc 5, 7 và 9. 
Việc thay đổi tần số lọc sẽ được thực hiện 
bằng cách đóng vào hoặc mở ra hệ thống 
tụ điện bằng cách sử dụng hệ thống 
thyristor đấu song song ngược thyristor 2, 
thyristor 3 và thyristor 3. 
Hình 8. Sơ đồ mô phỏng trên Matlab Simulink 
Kết quả mô phỏng được thực hiện với 
những góc mở khác nhau của cuộn kháng 
và được tính toán với 3 trường hợp: 
Trường hợp 1: không sử dụng các bộ lọc 
Trường hợp 2: sử dụng 2 bộ lọc cố định 
với tần số lọc lần lượt là 3 và 5. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 77 
Trường hợp 3: Sử dụng 1 bộ lọc cố định 
với tần số lọc là 3. Một bộ lọc tần số biến 
đổi có 3 tần số lọc là 5,7 và 9. Khi góc mở 
là 127 độ. 
Trường hợp 1: khi không sử dụng các 
bộ lọc. 
Trong trường hợp này, khi không sử dụng 
bất kỳ bộ lọc nào thì dạng sóng của dòng 
điện có dạng là một phần của hình sin. 
Sóng hài do quá trình điều khiển dạng 
sóng rất cao. Cao nhất là sóng hài bậc 3 
và bậc 7. 
Mức độ THD của toàn bộ sóng hài là 
khoảng 47%. 
Bảng 2. Biên độ sóng hài tại góc mở là 126 độ 
STT Sóng hài Dòng điện (A) % 
1 I1 126,7 100,0 
2 I3 58,9 46,5 
3 I5 0,8 0,6 
4 I7 9,3 7,4 
5 I9 2,9 2,3 
6 I11 2,8 2,2 
7 THD 47,23 
Hình 9. Kết quả mô phỏng Simulink khi không có thiết bị lọc 
Trường hợp 2: khi sử dụng 2 bộ lọc cố 
định có tần số lọc lần lượt là 3 và 5. 
Trong trường hợp này, dạng sóng đã trở 
về với dạng hình sin mặc dù vẫn có thể 
nhìn thấy những độ méo nhất định. Mức 
độ THD của toàn bộ sóng hài là khoảng 
5,8%. 
Hình 10. Kết quả mô phỏng Simulink khi lọc ở tần số 3,5 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
78 Số 22 
Trường hợp 3: khi sử dụng 1 bộ lọc cố 
định có tần số lọc là 3 và bộ lọc tần số 
biến đổi có tần số lọc là 7. 
Trong trường hợp này, dạng sóng được 
đưa về gần giống với dạng sin. Tỷ lệ méo 
rất nhỏ. 
Mức độ THD của toàn bộ sóng hài là 
khoảng 2,2% 
Hình 11. Kết quả mô phỏng simulink khi lọc ở tần số 3,7 
Hiệu quả của từng phương pháp sẽ được 
tính toán dựa trên tổn thất điện năng do: 
công suất phản kháng của thiết bị lọc sinh 
ra, tổn thất trong thiết bị lọc, tổn thất do 
sóng hài chạy vào hệ thống điện. Tổn thất 
điện năng do công suất phản kháng của 
thiết bị lọc sinh ra được tính theo công 
thức: 
1000
.
.
)(
2
2 TR
U
QQ
A tđ
đm
loc
pk
 kWh (4) 
Tổn thất điện năng trong thiết bị lọc được 
tính theo công thức: 
TKQA
i
locloc ..
8
1

 kWh (5) 
Tổn thất điện năng do sóng hài gây ra 
trong hệ thống điện được tính theo công 
thức: 
ThRhIA tđ
h
h ...)(
14
2
2
 (6) 
trong đó h là hệ số tăng điện trở theo tần 
số do hiệu ứng bề mặt (skin effect). 
Sơ đồ mô phỏng của thiết bị được mô 
phỏng trên simulink như trong hình vẽ 9. 
Kết quả tính toán của khi sử dụng các 
thiết bị được so sánh trong hình 12. 
Hình 12. Kết quả so sánh giữa bộ lọc tần số 
cố định và tần số biến đổi 
Kết quả tính toán cho thấy, việc sử dụng 
thiết bị lọc với tần số biến đổi sẽ làm 
giảm tổn thất khoảng 10% so với thiết bị 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 79 
lọc với tần số cố định. Việc sử dụng ít 
cuộn kháng hơn, sẽ giúp giảm giá thành 
của sản phẩm lọc sóng hài. 
5. KẾT LUẬN 
Qua nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đề 
xuất phương pháp lọc sóng hài thông qua 
việc tính toán dung lượng tụ bù tương ứng 
dựa trên thuật toán điều khiển góc mở của 
thysirtor sao cho phù hợp với dung lượng 
tụ bù mong muốn, để giảm tối đa sóng hài 
gây ra trên lưới điện phân phối hạ áp. Với 
một thuật toán điều khiển riêng biệt, việc 
điều chỉnh trơn công suất phản kháng của 
thiết bị bù lai có thể được thực hiện bằng 
cách lần lượt đóng mở từng tụ điện kết 
hợp với điều chỉnh góc mở α của của 
cuộn kháng L. Tuy thuật toán điều khiển 
có phức tạp hơn nhưng vẫn sẽ giúp chúng 
ta giảm công suất của điện kháng L xuống 
rất thấp dẫn tới giảm chi phí giá thành của 
thiết bị, đồng thời cũng làm giảm tổn thất 
công suất tác dụng của thiết bị bù và sóng 
hài do quá trình điều chỉnh trơn công suất 
phản kháng gây ra. Như vậy, các thuật 
toán điều khiển có khả năng phân tích 
sóng hài và tính toán để lựa chọn thời 
điểm đóng cắt tụ điện có ý nghĩa quyết 
định đến hiệu quả của phương pháp này. 
Kết quả nghiên cứu được kiểm tra trên 
một sơ đồ lưới thực tế, kết quả cho thấy, 
lượng sóng hài bậc cao giảm đáng kể, tổn 
thất công suất của phương pháp đề xuất 
giảm 10% so với việc sử dụng bộ điều 
khiển lọc tần cố định. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] ECPE Europen Center for Power Electronics, EPE European PowerElectronics and Drives 
Association, Position paper on energy efficiencythe role of power electronics, in European 
Workshop on Energy Efficiencythe Role of Power Electronics, 2007. 
[2] D.O. Abdeslam, P. Wira, J. Merckle, D. Flieller, and Y.A. Chapuis, “A unified artificial neural 
network architecture for active power filters,”IEEE Trans. Industr. Electron., vol. 54, no. 1, pp. 
61-76, Feb. 2007. 
[3] F.S. dos Reis, J. Ale, F.D. Adegas, R. Tonkoski, S. Slan, and K. Tan, “Active shunt filter for 
harmonic mitigation in wind turbines generators,”in Proc. 37th IEEEPower Electronics Specialists 
Conf., Jeju, Korea,2006, pp. 1-6. 
[4] L. Asiminoael, F. Blaabjerg, and S. Hansen, “Detection is key-harmonicdetection methods for 
active power filter applications,” IEEE Ind. Appl.Mag., vol. 13, no. 4, pp. 22-33, Jul-Aug. 2007. 
[5] L. Marconi, F. Ronchi, and A. Tilli, “Robust nonlinear control of shuntactive filters for harmonic 
current compensation,” Automatica, vol. 43,no. 2, pp. 252-263, Feb. 2007. 
[6] IEEE recommended practice and requirements for harmonic control inelectric power systems, 
IEEE Standard 519-2014, 2014, pp. 1-29. 
[7] J. Vazquez and P. Salmeron, “Active power filter control using neuralnetwork technologies,” IEEE 
Proc. Electr. Power Appl., vol. 150, no. 2.pp. 139-145, Mar. 2003 
[8] Trần Đình Long, 2014. Sách tra cứu về chất lượng điện năng. NXB Bách khoa, Hà Nội. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
80 Số 22 
[9] Priyadharshini, N.Devarajan, AR.Uma saranya, R.Anitt, 2012. Survey of Harmonics in Non Linear 
Loads. International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE) ISSN: 2277-3878, 
Volume-1, Issue-1. 
[10] Tiêu chuẩn IEEE-519/2014. 
[11] Hoàng Đăng Khoa, Lê Việt Cường, Bùi Anh Tuấn, Đinh Ngọc Quang. Báo cáo tổng kết đề tài cấp 
Bộ Công Thương năm 2014: “Nghiên cứu, chế tạo thiết bị bù công suất phản kháng trong lưới 
điện hạ áp dựa trên nguyên lý lai”. 
[12] George J. Wakileh, 2011. Power Systems Harmonics- Fundamentals, Analysis And Filters Design. 
Springer. 
[13] Đinh Ngọc Quang, Bằng sáng chế Thiết bị bù lai, số bằng: 1-0015397, Ngày cấp: 11/04/2016. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Lê Việt Cường tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện tại Trường Đại học 
Bách khoa Hà Nội năm 2005, nhận bằng Thạc sĩ năm 2009 tại Northumbria 
University. Hiện nay tác giả đang công tác tại Vụ Khoa học, Bộ Công Thương và 
làm nghiên cứu sinh tại Viện Kỹ thuật điện - điện tử, Bộ Công Thương. 
Lĩnh vực nghiên cứu: điện tử công suất, điều khiển nhà máy điện, hệ thống lưới 
điện truyền tải. 
Tác giả Doãn Thanh Bình tốt nghiệp đại học ngành kỹ thuật điện tử năm 2008; 
nhận bằng Thạc sĩ năm 2010, nhận bằng Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện tử năm 2018 
tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tác giả hiện đang công tác tại Phòng Khảo 
thí và Kiểm định chất lượng, Trường Đại học Điện lực. 
Lĩnh vực nghiên cứu: lý thuyết nghịch đảo suy rộng (generalized inverses), GSVD 
nhằm mô hình hóa, đánh giá các hệ thống MIMO; nghiên cứu các hệ thống thông 
tin trải phổ đa sóng mang (multi-carrier) áp dụng cho các hệ thống thông tin thế 
hệ tiếp theo. 
Tác giả Nguyễn Tùng Linh tốt nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ngành hệ 
thống điện năm 2005; nhận bằng Thạc sĩ năm 2010, nhận bằng Tiến sĩ ngành kỹ 
thuật điều khiển tự động hóa năm 2018 tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ 
Việt Nam. 
Lĩnh vực nghiên cứu: hệ thống điện, ứng dụng AI cho hệ thống điện, lưới điện 
phân phối, tự động hóa hệ thống điện, lưới điện phân phối. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 81 
 . 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
82 Số 22