Phân tích mô, phỏng bộ lọc tích cực dạng lai nhằm nâng cao chất lượng điện năng trong lưới điện phân phối

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 13 tháng 11-2017 35 
PHÂN TÍCH MÔ, PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC DẠNG LAI 
NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG 
TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 
ANALYSIS AND MODELLING OF HYBRID ACTIVE FILTERS IN DISTRIBUTION 
POWER NETWORKS TO IMPROVE POWER QUALITY 
Nguyễn Phúc Huy, Đặng Việt Hùng 
Trường Đại học Điện lực 
Tóm tắt: 
Nhằm nâng cao chất lượng điện năng, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm sóng hài trên lưới điện, ta có thể 
sử dụng các bộ lọc thụ động (PF) hay tích cực (AF). Trong đó, các bộ lọc PF được sử dụng để lọc 
một số thành phần sóng hài cụ thể nào đó, đồng thời tham gia bù công suất phản kháng, góp phần 
nâng cao hệ số công suất (cosφ) của lưới điện. Bộ lọc AF được sử dụng để loại trừ tất cả các sóng 
hài khác không bị tác động bởi PF do hạn chế về không gian lắp đặt và vấn đề cộng hưởng. Việc kết 
hợp giữa bộ lọc PF và AF sẽ tạo thành bộ lọc dạng lai (HAF). Sử dụng các bộ lọc dạng lai phù hợp 
với lưới điện phân phối cấp điện áp trung áp cho các phụ tải phi tuyến công suất lớn. Khi đó có thể 
chọn công suất máy biến áp và công suất của bộ biến đổi trong AF nhỏ hơn. Bài báo thực hiện việc 
mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc dạng lai sử dụng trên lưới trung áp, trong đó ứng dụng lý thuyết 
tập mờ cho bộ điều khiển AF. Kết quả cho thấy bộ lọc dạng lai với bộ điều khiển logic mờ giúp triệt 
tiêu sóng hài đảm bảo trong giới hạn cho phép, đồng thời góp phần bù công suất phản kháng, nâng 
cao cosφ. 
Từ khóa: 
Sóng hài, bộ lọc thụ động, bộ lọc tích cực, bộ lọc dạng lai, logic mờ. 
Abstract:4 
To improve power quality, a Passive Filter (PF) is combined with an Active Filter (AF) to create a new 
configuration of hybrid active filter (HAF). The PF not only mitigates one or more specific harmonics 
injecting to power networks caused by nonlinear power loads but also compensates reactive power 
to improve power factor (cosφ). Meanwhile, the AF is used to eliminate other harmonics not tuned 
because of restriction in site for the PF and danger of harmonic resonance. This HAF configuration is 
corresponding to electric power distribution networks with large nonlinear power loads. 
Consequently, the connected transformer and converter could be reduced in size. A model is set up 
to simulate this issue with the use of a fuzzy logic based controller for the AF. The simulation result 
shows that the proposed HAF coincide with solving the power quality problem in electric power 
distribution networks, controlling harmonic levels in acceptable ranges, and compensating reactive 
power to improve cosφ as well. 
Keywords: 
Harmonic, passive filter, active filter, hybrid active filter, fuzzy logic theory. 
4 Ngày nhận bài: 14/8/2017, ngày chấp nhận đăng: 20/9/2017, phản biện: TS. Nguyễn Tùng Lâm. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
36 Số 13 tháng 11-2017 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Phụ tải phi tuyến khi kết nối vào lưới điện 
sẽ sinh ra sóng hài làm suy giảm chất 
lượng điện năng của lưới điện. Các bộ lọc 
thụ động nối song song (PFsh) có thể được 
sử dụng để loại bỏ các thành phần sóng 
hài không mong muốn, và có thể bù một 
lượng công suất phản kháng theo yêu cầu 
[1-5]. So với các PFsh, các bộ lọc tích cực 
(AF) sử dụng các bộ biến đổi điện tử công 
suất có ưu điểm loại trừ bất kỳ thành phần 
hài nào xuất hiện tại điểm đấu nối, tuy 
nhiên các bộ lọc AF thường có giá thành 
đắt và vận hành phức tạp hơn các bộ lọc 
PF. Sự kết hợp của hai loại bù này cũng 
đã được nghiên cứu tuy nhiên qui mô 
công suất thường nhỏ và cấp điện áp thấp 
[4-7]. 
Với mục tiêu áp dụng cho lưới điện phân 
phối trung áp có phụ tải lớn, bài báo tập 
trung nghiên cứu kết hợp PFsh và bộ lọc 
tích cực song song (AFsh) tạo thành bộ lọc 
tích cực dạng lai song song (HAFsh). So 
với lưới hạ áp, lưới trung áp sẽ ảnh hưởng 
lớn hơn tới hiệu quả lọc của bộ lọc. Mạch 
lọc AFsh sẽ được kết nối với lưới điện qua 
máy biến áp có cuộn dây đấu tam giác để 
hạn chế lan truyền sóng hài bậc 3 giữa hai 
phía. Bộ điều khiển sử dụng lý thuyết 
logic mờ, là cơ sở để nghiên cứu mở rộng 
các phương pháp điều khiển mới, hiện đại 
sau này. 
2. BỘ LỌC TÍCH CỰC DẠNG LAI 
2.1. Cấu hình 
Cấu hình và tên gọi của các bộ lọc dạng 
lai phụ thuộc vào sự đấu nối giữa các bộ 
lọc với phụ tải. Hai cấu hình chính thường 
dùng là cấu hình bộ lọc song song với phụ 
tải: nối tiếp AF & PFsh (gọi là dạng lai nối 
tiếp - HAFss), hình 1a, và song song 
AFsh& PFsh (gọi là dạng lai song song - 
HAFsh), hình 1b. 
Bộ lọc tích cực dạng lai song song 
(HAFsh) được sử dụng để loại trừ sóng hài 
dòng điện từ phía tải trở về lưới. Ta coi 
PFsh và phụ tải phi tuyến là một thành 
phần riêng, do dó AFsh sẽ bù thành phần 
hài của thành phần đó với một hệ số 
khuếch đại k. 
Thành phần hài của dòng điện nguồn có 
thể xác định được: 
1
1
sh Lh Fh
sh
sh Fh
k u i Z
i
k Z Z
(1) 
 (a) HAFss 
 (b) HAFsh 
Hình 1.Sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng 
 của các bộ lọc 
Trong hình: ush và ish là điện áp và dòng điện hài 
về nguồn; Zsh và ZFh là tổng trở hài lƣới điện và 
của AFsh; uAFh là điện áp hài từ AFsh; iLh và iAFh là 
dòng điện hài của tải và của AFsh; iPFh là dòng điện 
hài qua bộ lọc thụ động. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 13 tháng 11-2017 37 
Có thể thấy chỉ khi |1-k| 0 thì ish 0, tức 
là tiến hành bù dòng điện hài của phụ tải 
và hệ thống. 
2.2. Cấu trúc điều khiển 
Với cấu hình như trên, HAFsh hoạt động 
trên nguyên lí điều khiển dòng điện của 
AFsh. Hệ thống điều khiển gồm hai khâu 
chính là mạch tạo dòng bù hài tham chiếu 
và mạch phát dòng điện bù. Trong đó 
mạch tạo dòng tham chiếu có chức năng 
chủ yếu là đưa ra các thành phần hài cần 
bù từ tín hiệu dòng tại điểm tải kết nối, sử 
dụng bộ lọc thông dải kết hợp bộ lọc 
thông thấp như hình 2. Mạch phát dòng 
điện bù có tác dụng tạo ra dòng bù thực tế 
phù hợp với tín hiệu dòng bù hài tham 
chiếu có được từ mạch tạo dòng. 
Hình 2. Cấu trúc điều khiển của AFsh 
Mô hình đề xuất sử dụng bộ điều khiển 
logic mờ do ưu điểm của bộ điều khiển 
này là không cần một mô hình toán học 
chính xác, trong nhiều trường hợp các mô 
hình toán học này đôi khi rất khó xác 
định. Ngoài ra, bộ điều khiển logic mờ 
còn có thể làm việc với các đầu vào chưa 
xác định, xử lý hiệu quả với các bài toán 
phi tuyến. 
Bộ điều khiển logic mờ bao gồm 4 khâu 
chính: mờ hóa, cơ sở tri thức, cơ chế suy 
luận và giải mờ (hình 3). Trong đó, cơ sở 
tri thức bao gồm các cơ sở dữ liệu và luật 
mờ, cơ sở dữ liệu cung cấp các thông tin 
cần thiết cho quá trình mờ hóa, cơ chế suy 
luận và giải mờ. Luật mờ bao gồm các 
quy tắc ngôn ngữ nhằm tạo ra các biến 
đầu ra mong muốn. 
Hình 3. Sơ đồ khối chức năng 
bộ điều khiển logic mờ 
3. TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÀ XÂY 
DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 
Hình 4 thể hiện lưới điện phân phối có 
U=22 kV, f=50 Hz, với công suất ngắn 
mạch của hệ thống tại điểm đấu là 500 
MVA. 
Hình 4. Sơ đồ khối của mô hình HTĐ mô phỏng 
Mô hình nguồn điện trong mô phỏng: là 
một nguồn tương đương Thevenin và 
mạch LLR có góc tổng trởbằng 800 ở tần 
số cơ bản và tần số hài bậc 3. 
~ 
Tải 
phi 
tuyến 
AF 
is iL 
iAF 
BPF 
LPF 
LPF 
Bộ 
điều 
khiển 
PWM 
- + 
~ 
Đầu 
vào 
Mờ hóa 
 Cơ chế 
 suy luận 
Giải 
mờ 
Cơ sở tri thức 
Cơ sở 
dữ liệu 
Luật 
mờ 
Đầu 
 ra 
Tải phi 
tuyến 
~ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
38 Số 13 tháng 11-2017 
Phụ tải: được mô phỏng có số liệu như 
bảng 1 với hai mức công suất khác nhau, 
trong đó công suất biểu kiến của tải phi 
tuyến là hợp véc-tơ của 3 thành phần công 
suất tác dụng (P), phản khảng (QH), và 
công suất phụ thêm do các thành phần hài 
gây ra (DH). 
Bảng 1. Thông số phụ tải trong mô hình 
 Mức tải 1 Mức tải 2 
(100% tải) 
Im1 (A) 510,48 826,68 
Im5 (%Im1) 7,6293 8,5816 
Im7 (%Im1) 5,0611 5,3442 
Im11 (%Im1) 2,6605 2,2208 
Im13 (%Im1) 1,9760 1,4106 
S(MVA) 13,723 21,652 
P (MW) 10,376 16,982 
QH (MVAr) 3,992 13,223 
DH (MVAD) 0,68 2,365 
cosφ 0,7561 0,7843 
THDi (%) 9,7204 10,5096 
Bộ lọc thụ động bậc 5 (PFsh): ngoài tác 
dụng loại trừ thành phần sóng hài bậc 5 
(h=5) còn làm nhiệm vụ bù công suất 
phản kháng cho phụ tải. Công suất phản 
kháng phát ra của bộ lọc là: 
2
2
12 1
PF fh s
h
Q C U
h

 (2) 
Với yêu cầu bù để cosφ=0,93 ta sẽ lựa 
chọn công suất bù tương ứng với hai mức 
tải từ bảng 1 là 5 MVAr và 7 MVAr. 
Bộ lọc tích cực (AFsh): bao gồm bộ biến 
đối nguồn áp nối vào lưới điện qua máy 
biến áp có cuộn tam giác ở phía lưới điện. 
Điện áp DC của bộ biến đổi, tụ điện DC 
và kháng điện AC (tức điện kháng MBA) 
cần chọn để dòng điện iAF của bộ lọc tích 
cực phải đáp ứng tốc độ bám theo dòng 
điện cần bù. Muốn vậy dung lượng bộ 
AFsh phải thỏa mãn dung lượng cần bù, và 
tốc độ biến thiên dòng điện đầu ra của AF 
(diAF/dt) phải lớn hơn tốc độ biến thiên 
của dòng hài lớn nhất [1]. 
1,3 2,45dc sU U   (3) 
1
. 2
n
dc dc
S
C
U U 
 
(4) 
trong đó, Us là điện áp pha nguồn tại điểm 
đấu; ΔUdc=5%Udc là độ biến thiên điện áp 
DC; Sn là công suất biểu kiến của bộ lọc; 
 là tần số góc cơ bản của lưới điện; 
Giá trị điện cảm AC của bộ biến đổi có 
thể giảm nhỏ để đảm bảo tốc độ bám theo 
sự thay đổi của dòng điện, nhưng phải đủ 
lớn để giảm thiểu sự xuất hiện sóng hài 
bậc cao ở tần số xung tam giác của PWM: 
4
f s
f
c
U U
L
f
 (5) 
trong đó, Uf là điện áp đầu ra của bộ 
nghịch lưu; , cf là biên độ và tần số của 
xung tam giác; 
Bộ điều khiển của AFsh: 
Bài báo sử dụng bộ điều khiển logic mờ 
với hai đầu vào là sai lệch e=iL.ref-iAF và 
đạo hàm sai lệch de/dt. Thực hiện mờ hóa 
với biến ngôn ngữ: A (âm), K (không), D 
(dương), AN (âm nhiều), DN (dương 
nhiều). Miền giá trị biến đầu vào sai lệch 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 13 tháng 11-2017 39 
là e={-10÷ +10} ={AKD}; miền giá trị 
của biến đầu vào thể hiện tốc độ biến 
thiên sai lệch là de = {-1e5 ÷ +1e5} 
={AKD}; miền giá trị của biến đầu ra là 
u={-1 ÷ +1}={AN A K D DN}. 
Luật mờ điều khiển biến đầu ra được xây 
dựng theo các nguyên tắc với các hàm 
thuộc như trong bảng 2. 
Bảng 2. Bảng ma trận lựa chọn mờ 
AND 
e 
A K D 
de/dt 
A AN D DN 
K AN K DN 
D AN A DN 
Hình 5. Dòng điện tải (a) và dòng điện nguồn (b) 
4. KẾT QUẢ 
Kết quả dạng sóng dòng điện tải và dòng 
điện nguồn tới trong toàn bộ thời gian mô 
phỏng có thể quan sát trong hình 5, giá trị 
cosφ đã thay đổi như trong hình 6. 
Hình 6. Hệ số công suất 
 của tổ hợp tải phi tuyến+PFsh 
Khi chưa có các bộ lọc tác động, dạng 
sóng và phổ hài của dòng điện phía nguồn 
ứng với mức tải 1 như hình 7. Sau khi bộ 
lọc bậc 5 được đưa vào (hình 8) thì tổng 
độ méo đã giảm xuống tuy nhiên vẫn vượt 
mức qui định cho phép là 5% [8]. AFsh sẽ 
được đưa vào để loại trừ các sóng hài còn 
lại của hệ tải phi tuyến+PFsh, giảm THDi 
về giá trị cho phép, đồng thời nâng cao hệ 
số công suất cosφ (hình 6). 
Hình 7. Dòng điện nguồn khi chƣa lọc 
ở mức tải 1 
Hình 8. Dòng điện nguồn khi có PFsh ở mức tải 1 
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-1,000
0
1,000
(a) Dong dien phu tai
B
ie
n
 d
o
 (
A
)
Thoi gian(s)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
-4000
0
4000
(b) Dong dien nguon
B
ie
n
 d
o
 (
A
)
Thoi gian(s)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian, s
0 5 10 15 20
0
5
Bac hai
D
o
 l
o
n
. 
(%
)
Pho hai I
nguon
, THD=9.7202 (%)
0 5 10 15 20
0
2
4
Bac hai
D
o
 l
o
n
. 
(%
)
Pho hai I
nguon
, THD=6.2835 (%)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
40 Số 13 tháng 11-2017 
Hình 9 cho ta thấy tổng độ méo sóng hài 
của dòng điện nguồn đã được giảm rất 
thấp, và toàn bộ các thành phần hài đều có 
giá trị rất nhỏ sau khi đóng toàn bộ thiết 
bị bù tích cực dạng lai. 
Kết quả mô phỏng cho tất cả các trường 
hợp có thể quan sát trong bảng 3. 
Hình 9. Phổ hài của dòng điện nguồn 
khi tác động toàn bộ HAFsh ở mức tải 1 
Bảng 3. Các thành phần hài của dòng điện nguồn trong các trƣờng hợp (%) 
 Mức tải 1-
Không lọc, 
THD=9,72% 
Mức tải 1- 
Lọc PFsh, 
THD=6,28% 
Mức tải 1- 
Lọc HAFsh, 
THD=1,96% 
Mức tải 2- 
Không lọc, 
THD=10,51% 
Mức tải 2- 
Lọc PFsh, 
THD=5,17% 
Mức tải 2- 
Lọc HAFsh, 
THD=2% 
DC 0,00 0,29 0,04 0,01 0,00 0,03 
1
st
 100 100 100 100 100 100 
3 0,00 0,30 0,05 0,00 0,01 0,03 
5 7,51 2,25 1,01 8,58 0,96 1,16 
7 5,02 4,41 0,26 5,34 4,26 0,50 
9 0,00 0,17 0,03 0,00 0,00 0,01 
11 2,61 2,60 0,74 2,22 2,12 0,95 
13 1,92 1,95 0,29 1,41 1,40 0,49 
17 1,04 1,16 0,56 0,66 0,64 0,63 
19 0,76 0,86 0,19 0,55 0,51 0,31 
5. KẾT LUẬN 
Bài báo đã xây dựng mô hình bộ lọc sóng 
hài dạng lai áp dụng cho lưới phân phối. 
Với cấu hình song song giữa HAFsh và tải 
được lựa chọn, kết quả phân tích và mô 
phỏng cho thấy bộ lọc đáp ứng được yêu 
cầu về lọc sóng hài và nâng cao hệ số 
cosφ. 
Với mức tải 1 THD đã giảm từ 9,72% 
xuống 1,96% và từ 10,51% xuống mức 
2% mới mức tải 2. 
Ngoài ra, giải pháp HAFsh này cho lưới 
phân phối cũng hoàn toàn phù hợp khi 
phụ tải đã có AFsh, và lưới điện có thể 
xuất hiện thành phần sóng hài mới lan 
truyền thì việc lắp bổ sung một PFsh sẽ 
phù hợp (vì AFsh trường hợp này chỉ chặn 
sóng hài từ tải vào lưới). 
6. PHỤ LỤC 
Thông số mạch tương đương LLR của hệ 
thống: 
     2,276 , 1,140 , 0,5061sL mH L mH R 
Thông số của mạch AFsh: 
Udc=14,19(kV); 
0 5 10 15 20
0
0.5
1
Bac hai
D
o
 l
o
n
. 
(%
)
Pho hai I
nguon
, THD=2.0033 (%)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 13 tháng 11-2017 41 
Cdc=2,48.10
-4
(F); 
Lf = 0,087(H). 
Thông số của mạch PFsh: 
 Cf5 (μF) Lf5 (mH) Rf5 (Ω) 
Mức tải 1 31,578 12,8 0,504 
Mức tải 2 44,195 9,2 0,3601 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Jiang Zheng Rong, From Passive to Active Harmonic and Reactive Power Control (in Chinese), 
China Machine Press, 2014. 
[2] Xiao Xiang Ning, Power quality - Analysis and Control (in Chinese), China Electric Power Press, 
2010. 
[3] Enrique Acha, Power Systems Harmonics - Computer Modelling and Analysis, John Wiley & 
Sons, 2001. 
[4] Retes S.Herrera, Patricio Salmeron, Instanteneous Reactive Power Theory: A reference in the 
Nonlinear Loads Compensation, IEEE transaction on industrial electronics, Vol.56, No.6, pp. 
2015-2022, June 2009. 
[5] Corasaniti, V. F., Hybrid Active Filter for Reactive and Harmonics Compensation in a 
Distribution Network, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, No.3, pp. 670-677, 
2009. 
[6] Tsengenes Georgios, Adamidis Georgios, Shunt active power filter control using Fuzzy logic 
controllers, IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), pp. 365-371, 2011. 
[7] Mohammed Qasim, Application of Neural Networks for Shunt Active Power Filter Control, IEEE 
transactions on industrial informatics, Vol.10, No.3, pp. 1765-1774, August 2014. 
[8] IEEE Std 519-2014, IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in 
electric power systems, IEEE Press, 2014: 1-29. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp Đại học và Thạc sĩ tại trường Đại học 
Bách khoa Hà nội vào các năm 2003 và 2010. Năm 2015 nhận bằng Tiến sĩ Hệ 
thống điện và tự động hóa tại Trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, 
Trung Quốc. Hiện nay tác giả đang công tác tại Trường Đại học Điện lực. 
Hướng nghiên cứu chính: Chất lượng điện năng, Ứng dụng điện tử công suất, 
Độ tin cậy của hệ thống điện. 
Tác giả Đặng Việt Hùng tốt nghiệp Đại học và Thạc sĩ tại trường Đại học Bách 
khoa Hà Nội vào các năm 2002 và 2004. Năm 2010 nhận bằng Tiến sĩ Kỹ thuật 
điện tại trường École Centrale de Lyon (CH Pháp) , tham gia nghiên cứu sau 
tiến sĩ (postdoctorat) tại Lab Ampere (Lyon, CH Pháp) từ 2011 đến 2012. Hiện 
tác giả đang công tác tại Khoa Kỹ thuật điện - Trường Đại học Điện lực. 
Hướng nghiên cứu chính: Chất lượng điện năng, vật liệu điện, ứng dụng điện 
tử công suất.