HƯ�NG D�N VI�T BÀI Tạp chí Khoa học Công nghệ và Thực phẩm 20 (4) (2020) 66 75 66 ĐÁNH GIÁ SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG BỘ LỌC TÍCH CỰC Đặng Ngọc Khoa, Hồ Vũ Đức Thắng, Vă[.]
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 20 (4) (2020) 66-75 ĐÁNH GIÁ SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG BỘ LỌC TÍCH CỰC Đặng Ngọc Khoa, Hồ Vũ Đức Thắng, Văn Tấn Lượng* Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Email: luongvt@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 22/9/2020; Ngày chấp nhận đăng: 04/12/2020 TĨM TẮT Lọc tích cực trở thành cơng nghệ để bù họa tần dòng điện điện áp cho lưới phân phối ba pha có tải phi tuyến Bài báo trình bày cấu hình lọc tích cực (AF-Active Filter) ba pha ba dây chiến lược điều khiển dựa vào thành phần điện áp dịng điện Từ đó, ứng dụng AF nghiên cứu để cải thiện chất lượng điện lưới phân phối điện Các kết mô lọc tích cực song song, lọc tích cực nối tiếp lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động trường hợp tải phi tuyến so sánh đánh giá để thấy khả vượt trội chúng Bộ lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động thể đáp ứng vận hành tốt thơng qua việc vừa điều khiển bù họa tần dịng điện bù điện áp lưới triệt để có sụt áp lưới tải phi tuyến Từ khóa: Bộ lọc tích cực, điều hịa chất lượng điện đồng nhất, bù họa tần dòng điện bù điện áp, chất lượng điện GIỚI THIỆU Điều khiển nguồn điện xoay chiều thyristor khóa bán dẫn khác sử dụng rộng rãi để cung cấp điều khiển chất lượng điện cho tải động cơ, lị nung, nguồn điện máy tính, Các điều khiển sử dụng hệ thống truyền tải điện DC nguồn phát điện tái tạo Khi tải phi tuyến, biến đổi (solid-state converter) tạo họa tần dòng điện thành phần cơng suất phản kháng dịng điện từ nguồn điện xoay chiều Trong hệ thống ba pha, chúng gây cân tạo dịng trung tính tăng cao Các sóng họa tần bơm vào, gánh nặng công suất phản kháng, cân bằng, dịng trung tính q mức gây hệ thống hiệu thấp hệ số công suất thấp Chúng gây xáo trộn cho khách hàng dùng điện khác can thiệp vào mạng viễn thông gần Khảo sát mở rộng [1-5] thực để định lượng vấn đề liên quan đến lưới điện có tải phi tuyến Các lọc tụ điện cuộn dây (LC-inductor capacitor) thụ động thông thường sử dụng để giảm sóng hài tụ điện sử dụng để cải thiện hệ số công suất tải AC Tuy nhiên, lọc thụ động có điểm bù cố định kích thước lớn Mức độ nghiêm trọng việc gia tăng sóng hài lưới điện quan tâm từ điện tử công suất nghiên cứu phát triển cho giải pháp điều khiển chất lượng điện Trong đó, điện tử cơng suất như: lọc tích cực (AF-Active Filter), hay cịn gọi điều hịa đường dây tích cực (APLC-Active Power Line Conditioner), bù công suất phản kháng tức thời (IRPC-Instantaneous Reactive Power Compensators), điều hịa chất lượng điện tích cực (APQC) điều hòa chất lượng điện đồng (UPQC- Unified Power Quality Conditioner) đưa Trong năm gần đây, nhiều cơng trình giải pháp điều khiển sóng hài, cơng 66 Đánh giá so sánh giải pháp cải thiện chất lượng điện dùng lọc tích cực suất phản kháng, cân tải bù dịng trung tính liên quan đến tải tuyến tính phi tuyến giới thiệu [6-11] Gần đây, loại tải ba pha bao gồm chỉnh lưu ba pha dùng diode sử dụng rộng rãi truyền động công nghiệp Các loại tải tạo họa tần dòng điện bậc lẻ 6n ± (n = 1, 2, 3…) tần số vào lưới điện, gây ảnh hưởng nghiêm trọng làm giảm chất lượng điện hệ thống phân phối điện Do đó, lọc cơng suất tích cực phát triển để bù dịng điện họa tần nhằm cải thiện chất lượng điện Bài báo trình bày việc khảo sát tồn diện lọc tích cực ba pha ba dây, cấu hình khác lọc tích cực song song, lọc tích cực nối tiếp lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động, chiến lược điều khiển dựa lựa chọn thành phần điện áp hoặc/và dòng điện cân nhắc lựa chọn cho ứng dụng cụ thể giới thiệu Việc mô dùng phần mềm PSIM với lọc khác điều kiện tải phi tuyến hoặc/và sụt áp nguồn thực hiện, để từ thấy khả cải thiện chất lượng dòng điện hay điện áp lưới phân phối BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG Bộ lọc cơng suất tích cực kết nối với hệ thống lưới ba pha ba dây thể Hình Cấu hình mạch lọc tích cực nghịch lưu áp ba pha sử dụng IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) kết nối song song với tải phi tuyến điểm chung thông qua cuộn cảm LF Ngõ vào lọc tích cực nguồn áp DC ghép với tụ điện có giá trị Tải phi tuyến thể chỉnh lưu áp ba pha dùng diode với ngõ kết nối với tải RLC Sơ đồ khối điều khiển dòng điện tiêu biểu lọc tích cực thể Hình 2, điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) sử dụng để điều khiển dòng điện * theo phương d q Như thể Hình 2, dịng điện tham chiếu ( ide ) hệ tọa độ quay dqe (thành phần dòng điện bậc cao tham chiếu) sơ đồ có cách sử dụng lọc thơng thấp cho dịng điện tải Thành phần dòng điện bậc cao so sánh với dòng điện đo ( iFde ) từ ngõ vào lọc tích cực, sau qua PI Ngõ * * ), chuyển sang hệ tọa độ abc điều khiển dòng điện điện áp tham chiếu ( vFde , vFqe ( vabc ) sử dụng để điều chế độ rộng xung (PWM- Pulse-width modulation) để điều khiển lọc tích cực * Tải phi tuyến Nguồn iS,abc VS,abc Labc iL,abc CL LL RL iF,abc S1 LF a S4 S3 Cdc1 Vdc b S2 c Cdc2 Bộ lọc tích cực song song Hình Sơ đồ hệ thống điện dùng lọc tích cực mắc song song 67 Đặng Ngọc Khoa, Hồ Vũ Đức Thắng, Văn Tấn Lượng Tải Phi Tuyến LL Labc RL iL,abc Nguồn Vabc Iabc CL IF,abc ids iqs vds vqs iFds iFqs RF acrtan dqs dqe LF dqs dqe ide + - ide PI theo phương d + - iFde iqe dqe dqs Bộ lọc thông thấp dqs abc iFqe S1 a PWM iFde iqe abc dqs abc dqs abc dqs S3 S4 + - Cdc1 Vdc b S2 c Cdc2 Bộ lọc tích cực PI theo phương q iFqe Hình Sơ đồ khối điều khiển lọc tích cực song song [6, 7] BỘ LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP Trong chiến lược sử dụng để cải thiện chất lượng điện áp mạng phân phối, hệ thống lọc tích cực mắc nối tiếp chọn Hệ thống lọc tích cực mắc nối tiếp sơ đồ thích hợp hơn, đóng vai trị giữ điện áp tải giá trị định mức điện áp lưới giảm đột ngột Hệ thống lọc tích cực mắc nối tiếp bao gồm nghịch lưu nguồn áp (VSI-Voltage Source Inverter), lọc LC ngõ VSI biến áp cách ly kết nối nguồn tải Tỷ số máy biến áp nối tiếp 1:1 Thông thường, máy biến áp Y/Y sử dụng hệ thống phân phối hệ thống lọc tích cực nối tiếp dựa VSI ba chân ưu tiên sử dụng (Hình 3) Sơ đồ khối điều khiển điện áp lọc tích cực nối tiếp thể Hình Điện áp cần bù (điện áp tham chiếu) tính cách lấy điện áp nguồn trước * có sụt áp (vs,presag) trừ điện áp nguồn có sụt áp (vs) Điện áp tham chiếu ( vc ) điện áp đo ( vc ) chuyển sang hệ tọa độ quay dqe so sánh với nhau, sai số điện áp đưa vào điều khiển PI Ngõ điều khiển điện áp * tham chiếu ( v*fde , v*fqe ), chuyển sang hệ tọa độ abc ( vabcf ) sử dụng để điều chế độ rộng xung để điều khiển lọc tích cực nối tiếp vsa isa vsb isb Máy biến áp iLa v La iLb vLb vsc isc iLc vLc S1 ic ib ia vca vcb vcc Tải phi tuyến L C S3 ifa Lf ifb ifc Cf S4 S2 R C1 Vdc1 C2 Vdc2 Hình Sơ đồ hệ thống điện dùng lọc tích cực nối tiếp [8] 68 Đánh giá so sánh giải pháp cải thiện chất lượng điện dùng lọc tích cực Điện áp cần bù vs,presag θ vs vc if is + abc dq + - Bộ điều khiển điện áp PI theo phương q + Bộ điều khiển điện áp PI theo phương d + dq abc SVPWM Hình Sơ đồ khối điều khiển lọc tích cực nối tiếp [8] BỘ LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP KẾT HỢP VỚI BỘ LỌC THỤ ĐỘNG Hình thể sơ đồ hệ thống lọc tích cực mắc nối tiếp với lọc thụ động mắc song song (PF) Các lọc thụ động LC dùng để điều chỉnh tần số họa tần bậc bậc đấu song song với tải Bộ nghịch lưu ba pha mắc nối tiếp với đường dây điện để bơm điện áp bồi hoàn (điện áp cần bù) Tỷ số máy biến áp nối tiếp 1:1 Tải chỉnh lưu diode ba pha có hai đặc tính nguồn họa tần loại điện áp loại dòng điện Máy biến áp esa isa esb isb iLb esc isc iLc ic ib ia vca vcb vcc iLa S1 S3 S4 C2 S2Vdc2 ifa Lf ifb ifc Cf Lf-5 Cf-5 C1 Vdc1 Lf-7 Cf-7 Tải phi tuyến L C R VLh Bộ lọc thụ động Bộ lọc tích cực nối tiếp Hình Sơ đồ hệ thống điện dùng lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động [9] Sơ đồ khối điều khiển lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động thể * Hình 6, điện áp tham chiếu để bù điện áp nguồn ( vc ) có sụt áp nguồn tính tương tự điện áp tham chiếu Hình Ngồi ra, điện áp tham chiếu * để bù họa tần dòng điện nguồn tải phi tuyến ( vh ) gây tính sau: vh* = Kvh ( is1 − is ) + VLh (1) Trong đó: is1 is thành phần dòng điện nguồn dòng điện nguồn tức thời, Kvh hệ số tỷ lệ VLh điện áp lọc thụ động Do đó, điện áp tham chiếu để bù cho điện áp nguồn có sụt áp nguồn họa tần dịng điện nguồn tính sau: 69 Đặng Ngọc Khoa, Hồ Vũ Đức Thắng, Văn Tấn Lượng vv* = vc* + vh* (2) Ngõ điều khiển dòng điện điện áp tham chiếu điện áp sử dụng để điều chế độ rộng xung để điều khiển lọc tích cực nối tiếp q Eds(+) abc/ tan-1 E qs(+) dqs ` Điện áp tham chiếu để bù điện áp ea eb ec KU KU - KU - + + - * Vva Vvb* Vvb* + + + + Vha* + KU -+ KU KU + isa Kvh - Kvh - isa isb isc + Kvh - + * Vhb - - * Vca * Vcb Vcc* abc + Vhc* - + + + dqe - Bộ điều khiển điện áp + + - Bộ điều khiển dòng điện SPWM Ea(+) Eb(+) Ec(+) Ea,bal + Eb,bal Ec,bal Ea,bal Eb,bal Ec,bal VLa Vlb Vlc Điện áp tham chiếu để bù họa tần dịng điện Hình Sơ đồ khối điều khiển dùng lọc tích cực nối tiếp kết hợp lọc thụ động [9] MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Để xác minh tính hiệu chiến lược điều khiển đề xuất cho lọc tích cực ba pha ba dây, mơ hình mơ xây dựng dựa vào phần mềm PSIM Thông số lọc song song cung cấp sau: điện áp nguồn (Vll(rms)) 135V, điện áp DC 420V, điện cảm mH công suất lọc 1,5kVA Thông số lọc nối tiếp thực mô sau: điện áp lưới (Vll(rms)) 127V, điện áp DC 500V, điện cảm lọc mH, điện dung lọc 100 F công suất lọc 1,5kVA Thông số lọc tích cực nối tiếp kết hợp lọc thụ động thực mô sau: điện áp lưới (Vll(rms)) 78V, điện áp DC 500V, điện cảm lọc tích cực 1,4 mH, điện dung lọc tích cực 10 F, điện cảm lọc thụ động bậc bậc 1,4 mH, điện dung lọc thụ động bậc 200 F bậc 100 F công suất lọc 1kVA Trong hệ thống mơ phỏng, mơ hình tải phi tuyến bao gồm chỉnh lưu ba pha diode kết nối với RLC phía ngõ Bộ lọc tích cực ba pha ba dây lắp đặt nguồn tải để bù dịng điện họa tần điện áp nguồn (lưới) Từ đó, dịng điện nguồn cung cấp trở nên hình dạng sin pha với điện áp nguồn 5.1 Bộ lọc tích cực song song Dạng sóng dịng điện nguồn dịng điện tải thể Hình 7(a) Hình 7(b) Dùng điều khiển dịng điện PI, lọc tích cực song song điều khiển phát họa tần dòng điện bậc cao nhằm triệt tiêu họa tần bậc cao để giữ cho dòng điện nguồn dạng hình sin Dạng sóng họa tần dịng điện cần bù thể Hình 7(c) Hình 7(a) thể dạng sóng dịng điện nguồn pha a có dạng sin, dùng lọc tích cực song song Tuy nhiên, thơng qua cơng cụ phân tích FFT (Fast Fourier Transform) sẵn có phần mềm PSIM, dòng họa tần bậc cao tần số 300 Hz 660 Hz xuất hiện, với giá trị biên độ bé (Hình 7(d)) Độ méo dạng hài tổng 70 Đánh giá so sánh giải pháp cải thiện chất lượng điện dùng lọc tích cực (THD-Total harmonic distortion) dòng điện lưới pha a trường hợp dùng lọc tích cực song song giảm xuống đáng kể 5,1%, so với 50,5% không dùng lọc Isa a) ILa b) IFa (c) Thời gian (s) Isa 60 Hz (d) 300 Hz 660Hz Tần số (Hz) Hình Kết mơ lọc tích cực song song (a) Dịng điện nguồn pha a (Isa); (b) Dòng điện tải pha a (ILa); (c) Dòng điện ngõ lọc (IFa); (d) FFT dịng nguồn pha a 5.2 Bộ lọc tích cực nối tiếp Vận hành lọc tích cực nối tiếp dùng điều khiển PI thể Hình Trường hợp sụt áp 50% nguồn ba pha cân (thời gian từ 1,48 s đến 1,52 s) trường hợp tải phi tuyến nghiên cứu mơ phỏng, thể Hình 8(a) 8(f) Dùng lọc tích cực nối tiếp, điện áp cần bù ngõ lọc hiển thị Hình 8(b) Sau bù, điện áp tải cân hồn tồn dạng sóng điện áp tải gần hình sin, thể Hình 8(c) Hình 8(d) 8(e) thể điện áp ngõ theo phương d q lọc tích cực nối tiếp THD điện áp tải pha a trường hợp dùng lọc tích cực nối tiếp giảm xuống đáng kể cịn 3,3%, so với 54% khơng dùng lọc 71 Đặng Ngọc Khoa, Hồ Vũ Đức Thắng, Văn Tấn Lượng esa esb esc (a) vc,b vc,a vc,c (b) vL,a vL,b vL,c (c) vde (d) vqe (e) iL,a (f) iL,b iL,c Hình Kết mơ lọc tích cực nối tiếp trường hợp sụt áp nguồn pha cân tải phi tuyến: (a) Điện áp lưới; (b) Điện áp ngõ lọc; (c) Điện áp tải; (d) Điện áp ngõ theo phương d lọc; (e) Điện áp ngõ theo phương q lọc; (f) Dòng điện tải 5.3 Bộ lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động Trong trường hợp điện áp nguồn ba pha không cân (điện áp pha B pha C giảm xuống 18% so với điện áp định mức) tải phi tuyến có chứa họa tần dòng điện bậc bậc 7, vận hành của lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động (PF) dùng điều khiển PI thể Hình Khi điều khiển bù, điện áp tải điều khiển trở nên cân gần hình sin (Hình 9(b)) Hình 9(a) thể dòng điện lưới (dòng điện nguồn) mà điều khiển gần hình sin Điều thể phân tích FFT dịng điện lưới pha A thể Hình 9(c) Như thể Hình 9(c), họa tần dòng điện bậc cao xuất hiện, song với biên độ nhỏ, gần không đáng 72 Đánh giá so sánh giải pháp cải thiện chất lượng điện dùng lọc tích cực kể THD dòng điện lưới pha A trường hợp dùng lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động giảm xuống đáng kể cịn 3,8%, so với 44% khơng dùng lọc Hình Kết mơ lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động trường hợp áp nguồn ba pha không cân (sụt áp lưới) tải phi tuyến (a) Dòng điện nguồn; (b) Điện áp tải; (c) FFT dòng điện nguồn Bảng mô tả so sánh chức lọc có tải phi tuyến hoặc/và sụt áp nguồn So với lọc tích cực song song lọc tích cực nối tiếp, lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động điều khiển bù điện áp nguồn dòng điện tải để dòng điện nguồn điện áp tải trở nên cân gần hình sin, bất chấp lưới không cân tải phi tuyến Như vậy, lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động cho kết vận hành tốt so với giải pháp dùng lọc tích cực nối tiếp lọc tích cực song song 73 Đặng Ngọc Khoa, Hồ Vũ Đức Thắng, Văn Tấn Lượng Bảng So sánh chức lọc Tên lọc Chức AF song song Loại bỏ họa tần dòng điện AF nối tiếp x AF nối tiếp kết hợp PF x Loại bỏ họa tần điện áp x x Bù sụt điện áp nguồn x x Bù công suất phản kháng x x KẾT LUẬN Trong báo này, giải pháp điều khiển cải thiện chất lượng điện dùng lọc khác nghiên cứu Kết mô dùng phần mềm PSIM đưa để kiểm chứng tính vượt trội giải pháp Mỗi giải pháp điều khiển có ưu điểm khuyết điểm riêng Tuy nhiên, so với lọc tích cực song song nối tiếp, mơ hình điều khiển lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động vượt trội điều khiển để giữ dòng điện nguồn (lưới) điện áp tải gần hình sin, bất chấp cố điện áp lưới không cân tải phi tuyến Ngồi ra, lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động nghiên cứu để sử dụng trường hợp lưới pha có sụt áp, méo dạng tải phi tuyến mở rộng để phát triển lưới pha dây TÀI LIỆU THAM KHẢO Gruzs T M - A survey of neutral currents in three-phase computer power systems, IEEE Transactions on Industry Application 26 (1990) 719-725 Subjak Jr J S and Mcquilkin J S - Harmonics-causes, effects, measurements, analysis: An update, IEEE Transactions on Industry Application 26 (1990) 10341042 Amoli M E and Florence T - Voltage, current harmonic control of a utility system - A summary of 1120 test measurements, IEEE Transactions on Power Delivery (1990) 1552-1557 Beides H M and Heydt G T - Power system harmonics estimation, monitoring, Electric Machine & Power Systems 20 (1992) 93-102 Emanuel A E., Orr J A., Cyganski D., and Gulchenski E M - A survey of harmonics voltages, currents at the customer’s bus, IEEE Transactions Power Delivery (1993) 411-421 Trinh Q N and Lee H H - An advanced current control strategy for three-phase shunt active power filters, IEEE Transactions Industrial Electronics 60 (12) (2013) 5400-5410 Nguyen N M D., Van T L., Tran H - Control scheme of active power filter using proportional-resonant plus repetitive controller, Journal of Science Technology and Food 18 (2) (2019) 144-155 Tan Luong V., Ngoc Minh Doan N., Toi L T and Trang T T - Advanced control strategy of dynamic voltage restorers for distribution system using sliding mode control input-ouput feedback linearization, Lecture Notes in Electrical Engineering 465 (2017) 521-531 74 Đánh giá so sánh giải pháp cải thiện chất lượng điện dùng lọc tích cực Lee G.-M., Lee D.-C., and Seok J.-K - Control of series active power filters compensating for source voltage unbalance and current harmonics, IEEE Transactions Industrial Electronics 51 (1) (2004) 132-139 10 Trinh Q N and Lee H H - An advanced repetitive controller to improve the voltage characteristics of distributed generation with nonlinear loads, Journal of Power Electronics 13 (3) (2013) 409-418 11 Trinh Q N and Lee H H - Low cost and high performance UPQC with fourswitch three-phase inverters, Journal of Electrical Engineering Technology 10 (3) (2015) 1015-1024 ABSTRACT COMPARATIVE EVALUATION OF POWER QUALITY SOLUTIONS USING ACTIVE POWER FILTERS Dang Ngoc Khoa, Ho Vu Duc Thang, Van Tan Luong* Ho Chi Minh City University of Food Industry *Email: luongvt@hufi.edu.vn Active filtering has become a technology to compensate for current or voltage for a three-phase three-wire distribution network with nonlinear loads This paper presents active filter (AF) configurations and control strategies based on voltage or current components The simulation results of the parallel active filter, the series active filter, and the series active filter combined with the passive filters in the case of nonlinear loads are compared and evaluated to prove their superiority Accordingly, active series filters combined with passive filters give the best performance since they can compensate for both current harmonics and source voltage thoroughly regardless of both grid voltage drops and nonlinear loads Keywords: Active filters, unified power quality conditioner, current and voltage compensation, power quality 75 ... thống điện dùng lọc tích cực nối tiếp [8] 68 Đánh giá so sánh giải pháp cải thiện chất lượng điện dùng lọc tích cực Điện áp cần bù vs,presag θ vs vc if is + abc dq + - Bộ điều khiển điện áp PI... nhỏ, gần không đáng 72 Đánh giá so sánh giải pháp cải thiện chất lượng điện dùng lọc tích cực kể THD dịng điện lưới pha A trường hợp dùng lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động giảm xuống... tốt so với giải pháp dùng lọc tích cực nối tiếp lọc tích cực song song 73 Đặng Ngọc Khoa, Hồ Vũ Đức Thắng, Văn Tấn Lượng Bảng So sánh chức lọc Tên lọc Chức AF song song Loại bỏ họa tần dòng điện