ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN NHƯ NGHĨA NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM HÀI DÒNG ĐIỆN NÂNG CAO CHÂT LƯỢNG LƯỚI ĐIỆN Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2011 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : TS. Nguyễn Duy Cương Phản biện 1 :PGS. TS. Võ Quang Lạp Phản biện 2 : TS. Nguyễn Văn Vỵ Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 2, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 15 giờ 30 phút ngày 08 tháng 12 năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Bản tóm tắt luận văn Nội dung nghiên cứu của luận văn về “Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện để nâng cao chất lượng lưới điện” gồm năm chương với nội dung tóm tắt như sau: Chương I : Giới thiệu tổng quan về sóng hài Chương II : Các biện pháp hạn chế sóng hài Chương III : Cấu trúc và thuật toán điều khiển bộ lọc tích cực. Chương IV : Mô phỏng hệ thống Chương V : KÕt luËn vµ khuyÕn nghÞ CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI 1.1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, tốc độ công nghiệp hóa tăng một cách nhanh chóng và lượng điện năng tiêu thụ để phục vụ cho sản xuất công nghiệp cũng ngày một lớn. Trong quá trình phát triển như vậy thì các phụ tải phi tuyến cũng tăng lên một cách đáng kể, dẫn tới xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Các thành phần sóng điều hòa bậc cao này gây ra những tác hại đáng kể như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện năng 1.2 Tổng quan về sóng hài. 1.2.1 Khái niệm và phân tích sóng hài Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chấp lượng lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng dòng điện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Sóng hài có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản. Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tích Furier. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng không sin và có thể được thay thế bởi tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin bao gồm: - Thành phần một chiều - Một sóng hình sin với tần số cơ bản ( 50 Hz ) - Các sóng điều hòa bậc cao có tần số bằng bội số tần số cơ bản. Một sóng không hình sin thường được gọi là sóng phức tạp. Biểu thức toán học của nó có dạng: )sin( )sin( )2sin()sin( 33 22110 ii tiNtN tNtNNn ϕωϕω ϕωϕω +++++ ++++= 1.2.2. Tổng méo điều hòa THD THD là chỉ số đánh giá độ méo của các thành phần điều hòa của một sóng bị méo so với thành phần cơ bản, được tính bởi công thức sau. 1 2 2 Y Y THD n n ∑ ∞ = = Trong đó: 1 Y : là giá trị hiệu dụng của tín hiệu tần số cơ bản n Y : là giá trị hiệu dụng của tín hiệu thành phần điều hòa bậc n 1.3 Các nguồn sinh ra sóng hài Nguồn sinh ra sóng hài chủ yếu là các tải phi tuyến kết nối trên lưới. Trong đó các thiết bị chứa các mạch điện tử công suất là các tải phi tuyến tiêu biểu. Một tải được gọi là phi tuyến khi dòng điện chạy qua nó sẽ có dạng sóng khác với dạng sóng của điện áp nguồn cung cấp. Sau đó, các dòng sóng hài được sinh ra từ tải này lại chạy khép vòng qua tổng trở hệ thống ( đường dây, máy biến áp…) và sinh ra các điện áp sóng điều hòa làm méo dạng điện áp nguồn cung cấp. Mặt khác các phụ tải phi tuyến ngày càng được sử dụng phổ biến trong mọi lĩnh vực công nghiệp và đời sống…, cũng như điện năng tiêu thụ cho chúng cũng gia tăng một cách nhanh chóng. Các phụ tải tiêu biểu như sau: 1.3.1 Máy biến áp 1.3.2 Động cơ điện 1.3.3 Thiết bị điện tử công suất 1.3.4. Đèn huỳnh quang 1.3.5. Bộ điều chỉnh tốc độ truyền động 1.3.6. Lò điện 1.4 Ảnh hưởng của sóng hài Trong những hệ thống có tải phi tuyến, tải phi tuyến sinh ra những sóng điều hòa bậc cao. Sự tồn tại của những sóng điều hòa bậc cao này gây ra những ảnh hưởng không tốt cho nguồn cung cấp và tới tất cả các thiết bị. Những ảnh hưởng quan trọng của sóng điều hòa bậc cao được mô tả dưới đây: * Động cơ và máy phát * Động cơ và máy phát * Dây dẫn điện. * Dòng điện dư dây trung tính * Làm nhiễu loạn đến các thiết bị điện và điện tử * Đối với tụ điện * Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ * Gây ra méo điện áp nguồn * Gây ảnh hưởng tới các thiết bị viễn thông 1.5. Kết luận Trong chương này đã trình bày về sóng điều hòa, những nguyên nhân sinh ra và những tác hại lớn của sóng điều hòa bậc cao gây ra cho hệ thống điện, làm giảm chất lượng điện năng, ảnh hưởng tới hoạt động và hiệu suất của các thiết bị…Trong chương tiếp theo, sẽ trình bày một số phương pháp làm giảm sóng hài, cải thiện chất lượng điện năng Chương 2 CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI Sóng hài tồn tại và gây nên những tác hại không tốt đến hệ thống điện và các thiết bị sử dụng điện. Giảm thiểu hoặc hủy bỏ các sóng hài có thể được thực hiện bằng nhiều biện pháp khác nhau như dùng cuộn kháng, các bộ lọc…. Tuy nhiên, sẽ là tốt hơn nếu ngăn chặn các sóng hài trong sản quá trình sản xuất. Trong mục này sẽ giới thiệu một số biện pháp thực tiễn dùng để giảm ảnh hưởng của sóng hài. 2.1. Biện pháp ngăn ngừa tạo ra sóng hài Thay đổi và cải thiện đặc điểm của các thiết bị phi tuyến có thể làm giảm số lượng sóng hài được sinh ra. Việc cải tiến có thể được thực hiện hầu hết trong hai loại tải sinh ra sóng hài: hệ thống bộ chuyển đổi / bộ biến đổi và các nguồn cung cấp điện DC. Giảm biên độ sóng điều hòa và triệt tiêu sóng điều hòa tần số thấp có thể được thực hiện bằng cách tăng xung điều khiển trong các hệ thống bộ chuyển đổi / bộ biến đổi. Thay đổi bộ biến đổi 6-xung thành 12 xung, sóng hài bậc 5 và 7 được triệt tiêu. Cải thiện cấu trúc bộ nguồn DC và hoàn thiện chương trình điều khiển các dòng điện đầu vào của phổ sóng điều hòa. 2.2 Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến Với bộ biến đổi 3 pha 6 xung thì biện pháp đầu tiên để cải thiện là thêm vào phía đầu vào xoay chiều một điện kháng Ta có thể giải thích một cách định tính như sau, cuộn kháng có tác dụng làm chậm tốc độ tăng của dòng khi dòng điện chuyển từ van này sang van khác (chuyển mạch). Với phương pháp này thì việc cải thiện được độ méo sóng hài bao nhiêu lại phụ thuộc vào lượng sụt áp cho phép với tải là bấy nhiêu 2.3 Bộ lọc thụ động Bộ lọc thụ động gồm điện cảm, điện dung, và các phần tử điện trở cấu hình và điều chỉnh để kiểm soát sóng điều hòa. Chúng thường được sử dụng và tương đối rẻ so với các phương tiện khác để loại bỏ méo sóng điều hòa. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là điện áp có khả năng tương tác bất lợi với hệ thống điện, và đó là điều quan trọng để có thể kiểm tra tất cả các tương tác hệ thống khi chúng đã được thiết kế. Thông thường các bộ lọc thụ động có kết cấu gồm nhiều loại đường dẫn song song có trở kháng thấp đối với nhiều bậc hài khác nhau. Dòng hài sẽ chảy qua các đường dẫn có trở kháng thấp này và làm áp hài tại điểm xét giảm đi 2.3.1. Bộ lọc thụ động mắc song song Loại phổ biến nhất của bộ lọc thụ động là bộ lọc điều chỉnh đơn "notch". Đây là loại mang lại tính kinh tế cao và thường khá hiệu quả trong phần lớn các trường hợp. Bộ lọc notch được điều chỉnh để cộng hưởng nối tiếp tại một tần số hài nhất định qua đó tạo ra một đường dẫn trở kháng thấp cho dòng hài đó và được kết nối song song với hệ thống điện. Như vậy, dòng hài được chuyển hướng từ đường dẫn dòng chảy chuẩn của chúng trên đường dây qua bộ lọc. Ngoài tác dụng hạn chế sóng hài thiết bị này còn có thể cải thiện hệ số công suất. Thực tế người ta thường tận dụng luôn các tụ bù hệ số công suất để tạo thành bộ lọc này Một điểm cần chú ý với bộ lọc này đó là nó tạo ra một điểm cộng hưởng song song tại tần số dưới tần số chỉnh. Ta phải tránh để tần số cộng hưởng này trùng với một tần số điều hòa nào đó. Bộ lọc thường được chỉnh để có tần số lọc nhỏ hơn một chút so với bậc hài cần lọc qua đó sẽ tạo ra một biên độ an toàn trong trường hợp một vài thông số thay đổi trong thông số hệ thống. 2.3.2. bộ lọc thụ động mắc nối tiếp Bộ lọc thụ động mắc nối tiếp. Không giống như một bộ lọc notch được kết nối song song với hệ thống điện, bộ lọc thụ động này mắc nối với tải. Các điện cảm và điện dung được kết nối song song và được điều chỉnh để cung cấp một trở kháng cao tại một tần số sóng hài có lựa chọn. Trở kháng cao sau đó ngăn chặn dòng chảy của dòng sóng hài tại chỉ tần số điều chỉnh. Tại tần số cơ bản, bộ lọc sẽ được thiết kế để mang lại một trở kháng thấp, do đó cho phép dòng cơ bản đi qua 2.4. Bộ lọc tích cực Là bộ lọc sử dụng phần tử điện tử công suất để tạo nên các sóng hài bằng và ngược pha với sóng hài phát sinh trong mạch. Kết quả là các thành phần sóng hài bị triệt tiêu do đó dạng sóng của nguồn sẽ thuần túy hình sin. 2.4.1. Phân loại theo bộ biến đổi công suất - Bộ lọc tích cực nguồn dòng - Bộ lọc tích cực nguồn áp 2.4.2. Phân loại theo sơ đồ mắc - Bộ lọc tich cực mắc song song - Bộ lọc tích cực mắc nối tiếp - Bộ lọc hỗn hợp. 2.5. Kết luận Trong chương này đã tìm hiểu và trình bày về các thiết bị ngăn ngừa và lọc sóng điều hòa. Có nhiều phương pháp lọc sóng điều hòa nhưng tựu chung lại phương pháp lọc sóng hài bằng bộ lọc tích cực đang có xu hướng được sử rụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm và đạt hiệu suật cao. Chương tiếp theo ta sẽ đi xác định dòng điện chuân và xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ lọc tích cực ba pha ba dây. Chương 3: CẤU TRÚC VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC 3.1: Đặt vấn đề Chương này sẽ trình bày phương pháp xác định dòng điện chuẩn cho bộ biến đổi nguồn áp với bộ điều khiển dòng PWM là sử dụng cồng suất tức thời p – q do Akagi đưa ra. Sau khi xác định được dòng điện chuẩn ta sẽ sử dụng cấu trúc tựa theo điện áp lưới để điều khiển dòng ra của bộ biến đổi nguồn áp bám theo dòng điện chuẩn. 3.3: Lý thuyết công suất tức thời p – q. Trước hết tính toán dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ αβ từ hệ tọa độ abc theo phép biến đổi Park’s, có phương trình sau: (3.1) Tương tự ta có: (3.2) Với hệ thống ba pha ba dây không có dây trung tính thì thành phần i 0 không tồn tại ( i a + i b + i c = 0), do đó (3.1), (3.2) có thể được viết lại như sau:                       − −− =       c b a u u u u u 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 β α                             − −−=           c b a u u u u u u 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 3 2 0 β α                             − −−=           c b a i i i i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 3 2 0 β α [...]... ba dây Kết qua, bộ lọc tích cực đã phát lên lưới một lượng dòng bù (I_bess) và bù CSPK làm cho chất lượng lưới điện được cải thiện, đáp ứng được tiêu chuẩn của IEEE Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Nội dung đề tài là “ Nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện để nâng cao chất lượng lưới điện Từ những kết quả nghiên cứu và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây... diễn dòng điện phụ tải (I_load) và nó gần như giống nhau trong toàn bộ thời gian mô phỏng, bộ lọc tích cực đang làm việc hay không làm việc Cuối cùng Hình 4.18 biểu diễn dòng điện cung cấp bởi bộ lọc tích cực (I_bess), trong đó có giá trị từ thời gian tức thời 0,15s Dòng của bộ lọc (I_bess) này cộng với dòng điện lưới phải bằng dòng điện tải Hình 4.16 Dòng nguồn sau khi bộ lọc tác động Hình 4.17 Dòng. .. niệm cơ bản sau: * Trình bày về bộ lọc tích cực và tác dụng của bộ lọc tích cực trong việc bù sóng hài và bù công suất Phân tích những ảnh hưởng của các thiết bị và tải phi tuyến nên hệ thống * Trên cơ sở toán học theo lý thuyết p-q của Akagi tác giả đã xây dựng được cấu trúc và thuật toán điều khiển cho bộ lọc tích cực ba pha ba dây * Xây dựng thành công bộ lọc tích cực, đã mô hình mô phỏng hóa hệ... tich cực Hình 3.4: Bộ lọc tích cực song song 3.5.1: Đề xuất cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực ba pha ba dây Hình 3.5 Biểu diễn một bộ lọc tích cực ba pha ba dây bù dòng điện và nó thường được kết nối ở rất gần tải Trái tim của hệ thống APF là IGBT dựa trên bộ chuyển đổi điện áp nguồn (VSI) Một tụ điện một chiều dc được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các VSI Khi VSI PWM được giả định là tức thời và. .. nguồn giảm xuống Lúc này bộ lọc tích cực đã bù một lượng CSPK Hình 4.20.Công suất tác dụng của nguồn trước và sau khi bộ lọc tác động Hình 4.21 Công suất phản kháng của nguồn trước và sau khi bộ lọc tác động Hình 4.22.Công suất phản kháng bộ lọc trước và sau khi tác động Hình 4.23 Công suất tác dụng của tải 4.3 Kết luận: Trong chương này đã xây dựng và khảo sát thành công bộ lọc tích cực ba pha ba dây Kết... Matlab/Simulink * Các kết quả nghiên cứu và mô phỏng đã cho thấy bộ lọc tích cực ba pha ba dây hoạt động khá tốt, đã làm giảm tối đa những sóng hài bậc cao đạt tới chỉ tiêu cho phép của IEEE là dưới 5% 5.2 Các kiến nghị Với các kết quả nghiên cứu đã được trình bày ở trên, để đề tài có thể triển khai thực hiện ứng dụng trong thực tế và nghiên cứu xin có một số kiến nghị sau: * Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện... tục công việc trên Hình 4.16, 4.17, 4.18 biểu diễn dòng nguồn, dòng tải và dòng của bộ lọc Trong Hình 4.16 biểu diễn dòng điện điện nguồn, những thay đổi rõ ràng từ thời điểm tức thời 0,15s và về mặt lý thuyết dòng điện nguồn trở nên sạch hơn với hàm lượng những sóng điều hòa bậc cao ít hơn khi tại thời điểm này bộ lọc tích cực bắt đầu hoạt động Độ sạch này sẽ được thể hiện trong độ méo sóng hài tổng... bám các dòng bù Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực 3.5.2 Điều khiển điện áp một chiều V*dc + Vdc - PI Hình 3.6 Bộ điều khiển điến áp một chiều sử dụng bộ điều chỉnh PI 3.6 Kết luận Trong chương này đã trình bày lý thuyết p-q để xác định dòng điện chuẩn Đưa ra được cấu trúc thuật toán và cấu trúc điều khiển cho bộ lọc tích cực ba pha ba dây Trong chương tiếp theo ta sẽ đi xây dựng và khảo... sát mạch lọc tích cực trên phần mêm Matlab-Simulink Chương 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Để kiểm tra và đánh giá chất lượng các thiết kế ở trên ta sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab – Simulink Nó được thiết kế đặc biệt cho việc mô phỏng điện tử công suất, là công cụ mạnh cho việc kết hợp mô phỏng mạch điện và điều khiển 4.1 Sơ đồ mô phỏng Hình 4.2 Mô hình mạch lọc tích cự ba pha ba dây trên Simulink 4.2 Kết quả... chuẩn và nó bắt đầu làm việc Hình 4.13 biểu diễn điện áp của nguồn cấp cho tải khi bộ lọc tích cực vẫn chưa chạy Ta thấy rằng điện áp đã bị biến dạng lõm ở đỉnh không còn ở dạng sin chuẩn nữa Nguyên nhân do chứa nhiều thành phần sóng điều hòa bậc cao sinh ra từ tải phi tuyến Hình 4.14, Hình 4.15 mô phỏng biểu diễn dòng điện cấp cho tải và THD ban đầu của bậc sóng hài dòng điện lưới Hình 4.13 Biểu diễn điện . HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN NHƯ NGHĨA NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM HÀI DÒNG ĐIỆN NÂNG CAO CHÂT LƯỢNG LƯỚI ĐIỆN Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : TÓM TẮT LUẬN VĂN. cứu và thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện để nâng cao chất lượng lưới điện gồm năm chương với nội dung tóm tắt như sau: Chương I : Giới thiệu tổng quan về sóng hài Chương II. dựng thuật toán điều khiển cho bộ lọc tích cực 3.5: Xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ lọc tich cực Hình 3.4: Bộ lọc tích cực song song 3.5.1: Đề xuất cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực ba