Mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
1 
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG 
BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY 
MODELING AND SIMULATION 
FOR THREE-PHASE THREE-WIRE ACTIVE FILTER 
Bùi Đông Hải 1, Trần Thu Hà 
2
, Võ Hoàng Lan Khuê 
3
1
 Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, Việt Nam, 
2
 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam 
3 Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức, Việt Nam 
Ngày toà soạn nhận bài 14/6/2016, ngày phản biện đánh giá 18/6/2016, ngày chấp nhận đăng 03/01/2017 
TÓM TẮT 
Với sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại, các tải phi tuyến như động cơ, các thiết 
bị điện tử (biến tần, bộ chỉnh lưu, và chuyển mạch công suất) được sử dụng rộng rãi. Các tải 
phi tuyến hoạt động tạo ra các sóng hài trên lưới điện, làm tăng nhiệt độ hệ thống, giảm công 
suất và gây nhiễu lên lưới điện và dẫn đến dòng điện và điện áp cung cấp bị biến dạng và chất 
lượng điện năng giảm. Bài báo này nghiên cứu bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây, lọc 
sóng hài do tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL). Sử dụng thuật toán điều khiển dòng điện trực 
tiếp, với bộ điều khiển trượt. Mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink cho kết quả tổng độ 
méo điều hòa (THD) của dòng điện nguồn được giảm từ 26,80% xuống còn 2,30%. Bộ lọc tích 
cực thiết kế làm giảm đáng kể lượng sóng hài dòng điện, hoạt động đáp ứng tiêu chuẩn quy định 
để nâng cao chất lượng điện năng. 
Từ khóa: Bộ lọc tích cực; sóng hài; lọc sóng hài; lọc tích cực; tải phi tuyến. 
ABSTRACT 
With the development of modern industry, a various nonlinear and time-varying electronic 
devices such as inverters, rectifiers, and switching power supplies are widely utilized. These 
solid-state converters inject harmonics into the power lines and result in serious distortion in 
the supply current and voltage and decrease the power quality. Harmonics increase the 
conduction losses, eddy current losses and also have bad impacts on other loads connected to 
the same voltage source. This article presents a three-phase three-wire shunt active filter 
configuration. The proposed scheme implements simplified control algorithms depending on 
the direct current control (DCC) techniques for designing trajectories in sliding mode control 
based shunt active power filter (SAPF). The performances of the AF were verified through a 
simulation with MATLAB-SIMULINK. The THD of source current is reduced from 26,80% to 
2,30%. The results indicate that proposed active filter can reduce the current harmonics. 
Keywords: active filter; harmonic; harmonic filter; active filter; nonlinear load.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Sóng hài gây nhiễu không mong muốn, 
làm ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng điện 
năng, sóng hài lớn hơn mức độ cho phép sẽ 
làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện 
có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi hỏng 
thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu 
sáng, lổi các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, 
máy tính hoạt động và thiết bị đo lường. 
Nguyên nhân gây ra sóng hài do các quá 
trình khởi động động cơ, hoạt động các bộ 
biến tần các hệ truyền động điện, lò luyện hồ 
quang, máy hàn hồ quang, máy biến áp, máy 
tính và các thiết bị điện tử khác, 
Trên thế giới và cả trong nước đã có rất 
nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu đi sâu 
vào nghiên cứu mô hình bộ lọc tích cực như bộ 
lọc tích cực một pha, bộ lọc tích cực ba pha ba 
2 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
dây, bộ lọc tích cực ba pha bốn dây, các nghiên 
cứu rất đa dạng, sử dụng các thuật toán điều 
khiển hiện đại như điều khiển PID, điều khiển 
trượt, điều khiển logic mờ - nơron. Mỗi đề tài 
nghiên cứu đều có đặc điểm riêng tương ứng 
với các mục đích nghiên cứu và thiết kế, chế tạo 
Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh [1] 
nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu thép cảm 
ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ sở đó thiết 
kế bộ lọc tích cực song song (AF) để làm 
nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng điện 
bậc cao và bù CSPK cho nguồn lò. Đặc điểm 
của lò là loại tải công suất lớn, mức độ phi 
tuyến mạnh và là gánh nặng cho nguồn cung 
cấp về công suất phản kháng (CSPK). Đề tài 
này đi nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu 
thép cảm ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ 
sở đó thiết kế bộ lọc tích cực song song (AF) 
để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng 
điện bậc cao và bù CSPK cho nguồn lò, tác giả 
sử dụng thuật toán thuyết công suất tức thời p 
– q làm thuật toán điều khiển cho bộ AF. 
Juntao Fei [2] đã nghiên cứu bộ lọc tích 
cực ba pha điều khiển dòng điện gián tiếp áp 
dụng phương pháp điều khiển trượt. Trong đề 
tài này, phương pháp điều khiển trượt mới 
được thiết kế để thực hiện giám sát dòng điện 
tham chiếu trong điều khiển dòng gián tiếp. 
Ưu điểm của việc sử dụng bộ điều khiển trượt 
mới cho bộ lọc tích cực song song với kỹ thuật 
dòng điện gián tiếp là nó không cần bộ phận 
phát hiện sóng hài. Bộ lọc tích cực được thiết 
kế có hiệu quả triệt tiêu sóng hài tốt và giảm 
nhỏ sóng hài trong dãi rộng của dòng điện tải 
của tải phi tuyến khác nhau. 
Farid Hamoudi [3] đã nghiên cứu bộ lọc 
tích cực ba pha bốn dây áp dụng phương pháp 
điều khiển trượt. Mục đích cải thiện dạng 
sóng dòng điện pha, giảm dòng điện trung tính 
hiện tại, bù công suất phản kháng trong hệ 
thống phân phối. 
ThS. Phạm Văn Hiệp [4] đã nghiên cứu 
chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng thông qua 
việc lọc, thu và sử dụng năng lượng sóng hài. 
2. NỘI DUNG THIẾT KẾ 
Để khắc phục các ảnh hưởng của sóng hài 
nhóm tác giả sử dụngbộ nghịch cầu được sử 
dụng như là một máy phát dòng điện hài lý 
tưởng bao gồm 6 chuyển mạch với diode nối 
song song trên mỗi chuyển mạch. Các thiết bị 
bán dẫn thích hợp là IGBT hoặc MOSFET với 
diode song song để vệ quá dòng điện. Nhóm 
tác giả thiết kế cầu nghịch lưu sử dụng IGBT 
như hình 1. 
Hình 1. Cấu hình mạch lọc tích cực (AF) ba 
pha ba dây. 
Mạch thiết kế mạch lọc ba pha ba dây sử 
dụng kỹ thuật điều khiển dòng điện trực tiếp, 
dòng điện tải IL là tín hiệu ngõ vào của bộ lọc 
AF, dòng điện này dùng để làm tín hiệu tham 
chiếu, tín hiệu dòng tham chiếu so sánh với 
dòng điện do bộ lọc phát vào lưới IF tạo ra tín 
hiệu đưa vào khối tạo xung điều khiển các 
IGBT. Dòng điện IF của bộ lọc phát vào lưới, 
có cùng biên độ và ngược pha với dòng điện 
hài, nên triệt tiêu sóng hài do tải tạo ra. Khối 
tạo xung có sử dụng bộ điều khiển trượt vì thế 
tăng hiệu suất triệt tiêu sóng hài 
Hai kỹ thuật điều khiển dòng điện gián 
tiếp và trực tiếp có điểm chung là lấy tín hiệu 
điện áp ở đầu nguồn us tạo tín hiệu tham 
chiếu, kỹ thuật điều khiển dòng điện gián tiếp 
thì sử dụng dòng điện nguồn is, còn kỹ thuật 
điều khiển dòng điện trực tiếp thì sử dụng 
dòng điện tải iL để làm tín hiệu so sánh của 
ngõ vào bộ tạo xung kích. Cả hai kỹ thuật trên 
có tính chất là nếu nguồn điện cách xa tải gây 
khó khăn trong việc lắp đặt, tích hợp bộ lọc 
vào mạch. 
Do đó, đề tài sử dụng kỹ thuật điều khiển 
dựa vào kỹ thuật điều khiển dòng trực tiếp 
như hình 2. Tín hiệu tham chiếu sử dụng ngay 
chính dòng điện tải chứ không sử dụng tín 
hiệu điện áp nguồn và điện áp tụ điện như hai 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
3 
kỹ thuật điều khiển đã trình bày ở trên. Kỹ 
thuật này có ưu điểm là tất cả tín hiệu đầu vào 
của bộ lọc sử dụng ngay chính dòng điện tải 
nên dễ dàng lắp đặt, tích hợp bộ lọc vào mạch 
điện/tải, như tích hợp bộ lọc vào mạch điện 
của máy biến tần, các bộ điều khiển/khởi động 
mềm động cơ 
Theo hình 2, dòng điện tải iL được đưa 
vào khối vòng khóa pha (PLL) để tạo ra dòng 
điện tham chiều i*L (là thành phần cơ bản của 
dòng điện tải, lọc bỏ các thành phần hài). 
i
*
La = ILmax.sin(t) (1) 
i
*
Lb = ILmax.sin(t + 120
o
) (2) 
i
*
Lc = ILmax.sin(t - 120
o
) (3) 
Dòng tham chiếu i*L đưa vào khối trừ với 
dòng điện tải kết quả thu được i*F là thành 
phần dòng điện hài: 
i
*
Fa = iLa - i
*
La (4) 
i
*
Fb = iLb - i
*
Lb (5) 
i
*
Fc = iLc - i
*
Lc (6)
 Dòng i
*
F so sánh với dòng điện của bộ 
lọc i*F phát vào lưới thu được tín hiệu sai lệch, 
tín hiệu này chính là ngõ vào của bộ điều chế 
xung kích cho các IGBT. 
Đối với mạch tạo xung sử dụng mạch 
điều khiển dòng trễ (Hysteresis Current 
Control). Các đại lượng i*Fa, i
*
Fb, i
*
Fc tương 
ứng là dòng điện yêu cầu các pha của bộ 
nghịch lưu, các đại lượng iFa, iFb, iFc tương 
ứng là dòng điện hồi tiếp của bộ nghịch lưu. 
Sai lệch của hai tín hiệu này là tín hiệu tạo sáu 
xung kích cho các IGBT như hình 3. 
Do bộ nghịch lưu được sử dụng theo quy 
tắc kích đóng đối nghịch, các IGBT (T1-T4), 
(T2-T5), (T3-T6) có xung kích đóng ngược 
nhau. Ta dùng cổng NOT để tạo xung kích 
đóng cho các IGBT (T4-T5-T6), từ các IGBT 
(T1-T2-T3). Biên độ sai số (hysteresis band) 
của mạch sẽ được đặt theo giá trị yêu cầu. 
Điều khiển hàm phát xung sóng hài 
ngược sử dụng mặt trượt bao gồm dòng điện 
tham chiếu. Cho (I*F) là giá trị tham chiếu của 
dòng điện tải. Giá trị tham chiếu của dòng 
điện tải là điểm cân bằng của hệ thống. 
Mặt trượt: 
S = (i*F - iF ) + ∫(𝑖𝐹
∗ − 𝑖𝐹)𝑑𝑡,[5] (7) 
Với i*F là dòng điện tham chiếu và là 
thông số điều khiển hay gọi là hệ số trượt. Hệ 
số trượt có giá trị dương đảm bảo sự ổn định 
của AF. 
Trong bộ điều khiển trượt để đáp ứng 
điều kiện tồn tại, chúng ta xác định U như sau: 
U ={
1 𝑖𝑓 𝑆 > 0
−1 𝑖𝑓 𝑆 < 0
 (8) 
Như vậy ta có trạng thái đóng ngắt theo 
ngõ vào điều khiển ba pha theo bảng 1. 
Bảng 1. Trạng thái đóng ngắt 
Ua T1 T4 Ub T2 T5 Uc T3 T6 
1 OFF ON 1 OFF ON 1 OFF ON 
-1 ON OFF -1 ON OFF -1 ON OFF 
0 OFF OFF 0 OFF OFF 0 OFF OFF 
Hình 2. Kỹ thuật điều khiển tạo xung kích cho các IGBT 
4 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 3. Mạch Hysteresis. 
Hình 4. Logic chuyển mạch. 
3. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 
Mô hình mô phỏng sử dụng Matlab theo 
sơ đồ khối hình 5.Kết quả khảo sát hoạt động 
của mô hình cho giá trị dạng sóng, THD của tín 
hiệu điện áp, dòng điện nguồn và tải khi mạch 
khi chưa có mạch lọc, khi mạch có bộ lọc tích 
cực (AF), và thiết kế khâu điều khiển trượt vào 
bộ lọc tích cực (SMAF). Các thông số cài đặt 
cho mô hình được biểu diễn ở bảng 2. 
Bảng 2. Thông số cài đặt của mô hình 
THÔNG SỐ 
GIÁ 
TRỊ 
Nguồn có giá trị hiệu dụng dây 
Vrms 
380 V 
Tần số nguồn cung cấp 50Hz 
Điện trở đường dây Rs 2 
Điện cảm đường dây Ls 5e-6H 
Tụ điện C 2,5e-4F 
Điện cảm LF 3e-3H 
Điện trở tải không cân bằng RL 30 
Điện cảm tải không cân bằng LL 2e-3H 
Thông số khâu điều khiển trượt  1,2 
Hình 5. Sơ đồ khối của bộ lọc tích cực ba pha ba dây 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
5 
3.1 Kết quả hệ thống khi chưa có mạch lọc 
Với tải Nonlinear load 1 đóng vào mạch 
tại thời điểm t = 0s, Nonlinear load 2 đóng 
vào mạch tại thời điểm t = 0,1s, Nonlinear 
load 3 đóng vào mạch tại thời điểm t = 0,2s), 
lúc này hệ thống chưa có mạch lọc sóng hài. 
Hình 6. Dạng sóng điện áp nguồn cung cấp 
Hình 7. Dạng sóng dòng điện nguồn khi 
chưa có mạch lọc AF 
Hình 8. Dạng sóng dòng điện tải 
Hình 9. THD của dòng điện nguồn pha a tại 
t = 0,05s là 26,8% 
Hình 10. THD của dòng điện tải pha a tại t 
= 0,05s là 26,8% 
Hình 6 hiển thị dạng sóng của điện áp 
nguồn cung cấp, hình 7 hiển thị dạng sóng của 
dòng điện nguồn và hình 9 hiển thị THD của 
dòng điện nguồn pha a là 26,8% tại t = 0,05s. 
Hình 8 hiển thị dạng sóng của dòng điện tải và 
hình 10 hiển thị THD của dòng điện tải pha a 
là 26,8% tại t = 0,05s. 
3.2 Kết quả mô phỏng hệ thống khi mạch 
lọc AF đóng điện vào lưới 
Hình 11. Dạng sóng dòng điện nguồn và tải 
khi có mạch lọc AF trên cùng đồ thị 
Hình 12. THD của dòng điện nguồn pha a 
khi có mạch lọc AF là 2.32% 
6 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 11 biểu diễn dạng sóng dòng điện 
nguồn và tải khi có mạch lọc AF trên cùng đồ 
thị, tín hiệu nét đứt là dạng sóng dòng điện tải 
bị méo dạng do tải phi tuyến gây ra, tín hiệu 
nét liền là dạng sóng dòng điện nguồn thuần 
túy sin. Và THD của dòng điện nguồn còn 
2.32% như hình 12. Khi có bộ lọc thì THD 
của dòng điện nguồn giảm từ 26,80% (hình 
10) xuống còn 2,32% (hình 12). 
3.3 Hệ thống mạch lọc tích cực có bộ điều 
khiển trượt (SMAF) 
Bộ điều khiển trượt vào bộ lọc cho kết 
quả mô phỏng với các thông số đầu vào như 
trên cho ta: 
Hình 13. Dạng sóng dòng điện nguồn và tải 
khi có mạch lọc SMAF trên cùng đồ thị 
Hình 14. THD của dòng điện nguồn pha a 
khi có mạch lọc SMAF là 2.30% 
Mạch điện tải không tuyến tính làm cho 
dạng sóng dòng điện nguồn cung cấp bị biến 
dạng, khi công suất tải tăng cao thì độ biến 
dạng và cường độ tăng cao. 
Qua phân tích mô phỏng ta thấy mạch lọc 
sử dụng đã phát lên lưới một dạng sóng hài 
ngược pha với sóng hài do tải gây ra làm triệt 
tiêu sóng hài trên lưới, dòng điện nguồn cung 
cấp sin hơn. 
Khi chưa lọc tại thời điểm t = 0,05s, THD 
của dòng điện nguồn là 26,80% (Hình 9), khi 
có mạch lọc tích cực AF thì thì THD của dòng 
điện nguồn là 2,32% (Hình 12), khi mạch lọc 
có khâu có khâu điều khiển trượt, thì THD của 
dòng điện nguồn là 2,30% (Hình 14). 
3.4 So sánh với mô hình của Juntao Fie [2] 
Juntao Fie [2] đã nghiên cứu bộ lọc tích 
cực ba pha ba dây điều khiển dòng điện gián 
tiếp để giảm sóng hài dòng điện do tải phi 
tuyến gây ra trên lưới. 
Để đánh giá hiệu suất của mô hình đã 
thiết kế, tác giả tiến hành mô phỏng mô hình 
theo thông số hệ thống mạng điện như thông 
số hệ thống mạng của mô hình Juntao Fie. 
Hình 15. THD của dòng điện nguồn pha a 
của mô hình Juntao Fie [1] 
Hình 16. THD của dòng điện nguồn pha a 
của mô hình 
Như vậy theo kết quả mô phỏng của 
Juntao Fie thì THD của dòng điện nguồn pha a 
tại t = 0.05 giây là 2,51%, còn theo kết quả mô 
phỏng nghiên cứu của đề tài thì THD của dòng 
điện nguồn pha a là 2,00%. Như vậy mô hình 
thiết kế của đề tài đạt được kết quả tối ưu hơn. 
Đối chiếu với tiêu về sóng hài của Bộ 
Công Thương qui định, trong trường hợp khi 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
7 
chưa sử dụng bộ lọc tích cực các thành phần 
sóng điều hòa trong dòng điện tải đều vượt 
quá tiêu chuẩn cho phép được quy định theo 
bảng tiêu chuẩn trong bài báo sóng hài cho kết 
quả như ý 
Ngoài ra trong quá trình hoạt động nếu 
phụ tải có thay đổi thì bộ lọc vẫn đảm bảo hạn 
chế được lượng hài gây ra và độ méo dạng 
THD% đảm bảo trong giới hạn cho phép. 
Qua các phân tích và mô phỏng kết quả 
cho mạch lọc tích cực song song ba pha ba 
dây cho ra được kết quả tốt, đáp ứng được yêu 
cầu kỹ thuật. 
4. KẾT LUẬN 
Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu và 
thiết kế. Nhóm tác giả đã thiết kế mạch lọc 
tích cực ba pha ba dây với sơ đồ điều khiển 
bộ lọc sử dụng thuật toán điều khiển dòng 
điện trực tiếp, có khâu điều khiển trượt. Thực 
hiện mô hình hóa và mô phỏng hệ thống trên 
phần mềm Matlab-Simulink. THD của dòng 
điện nguồn được giảm từ 26,80% xuống còn 
2,30%. 
Kết quả chỉ ra rằng bộ lọc tích cực sử 
dụng đạt có thể giảm đáng kể lượng sóng 
dòng điện hài, dòng điện nguồn sau khi lọc 
có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho 
phép theo tiêu chuẩn về sóng hài của Bộ 
Công Thương qui định. 
LỜI CẢM ƠN 
Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn khoa 
Điện – Điện tử, phòng Đào tạo Sau Đại học 
trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật đã tạo điều 
kiện, giúp đỡ cho nhóm tác giả trong suốt 
thời gian qua. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh. Thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện 
và bù công suất phản kháng cho nguồn lò nấu thép cảm ứng. Tạp chí khoa học và công 
nghệ, đại học Đà Nẵng - số 4(33), 2009. 
[2] Juntao Fei, Tianhua Li, F eng Wang, and Wanru Juan. A Novel Sliding Mode Control Technique 
for Indirect Current Contro lled Active Power Filter. Hindawi Publishing Corporation 
Mathematical Problems in Engineering Volume 2012, Article ID 549782, 18 pages. 
[3] Farid Hamoudi, Aziz Chaghi, Mouloud Adli, Hocine Amimeur. A sliding mode control for 
four–wire shunt active filter. Journal of electrical engineering, vol.62, no.5, 2011, 267–273. 
[4] ThS. Phạm Văn Hiệp. Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng thông qua việc lọc, 
thu và sử dụng năng lượng sóng hài. Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ. Trường 
đại học điện lực, 2011. 
[5] Soumya Ranjan Mohapatra. Performance Enhancement of Active Power Filter using 
Robust Control Strategies, A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for 
the award of the award of degree Master of Technology by Research in Electrical 
Engineering, National Institute of Technology Rourkela Rourkela-769008, India, 2012. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
ThS. Bùi Đông Hải 
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng 
Email: buidonghai@gmail.com