Điều khiển thiết bị điện công nghiệp phần 1

60 TRẦN QUANG THỌ (Chủ biên) NGUYỄN VINH QUAN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CƠNG NGHIỆP NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TS TRẦN QUANG THỌ (Chủ biên), TS NGUYỄN VINH QUAN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022 LỜI GIỚI THIỆU Điều khiển trình thu thập, xử lý thông tin, tác động lên hệ thống để đạt thông số mong muốn Điều khiển hệ thống điện cơng nghiệp q trình điều khiển kết hợp thành phần hệ thống điện để đạt mục tiêu theo mức điều khiển tương ứng Một hệ thống điện thông thường bao gồm nguồn phát điện, hệ thống truyền tải – phân phối, phụ tải Hệ thống điện có qui mơ lớn quản lý vận hành cấp quốc gia hay vùng miền thông qua cấp điều độ Trong tài liệu này, hệ thống điện công nghiệp hiểu với qui mô nhỏ cấp sở công nghiệp Hệ thống điện cơng nghiệp nối với lưới điện quốc gia hệ thống điện công nghiệp độc lập Khi hoạt động độc lập với lưới điện quốc gia, hệ thống trở thành hệ thống điện nhỏ hay gọi Micro-grid Các thành phần hệ thống điện cơng nghiệp thường bao gồm: Các nguồn điện phân tán hệ thống điện cơng nghiệp dạng máy phát đồng với nguồn từ động đốt sử dụng dầu diesel, nhiệt điện than, khí, tua bin thủy điện nhỏ, v.v Ngoài ra, nguồn điện sử dụng lượng tái tạo gió, mặt trời hay pin nhiên liệu dạng dự trữ sẵn thông qua nghịch lưu nối lưới Đối với lượng tái tạo, xu hướng sử dụng lượng ngày nhiều có ưu điểm môi trường bền vững Tuy nhiên, phổ biến nguồn lượng tái tạo gây ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến hệ thống điện phụ thuộc vào thời tiết Đường dây truyền tải: cấp điện áp hệ thống điện công nghiệp thông thường cấp trung áp hạ áp với qui mơ nhỏ có thiết bị đóng cắt thiết bị bù lọc để nâng cao chất lượng điện Phụ tải hệ thống điện công nghiệp thông thường bao gồm máy sản xuất sử dụng loại động điện thông qua biến đổi công suất Đối với động điện chiều, biến đổi chỉnh lưu có điều khiển, biến đổi chiều tăng áp giảm áp Đối với động điện xoay chiều pha, biến đổi nghịch lưu biến tần Để vận hành hiệu hệ thống điện công nghiệp, tất thành phần phải điều khiển theo qui định, tiêu chuẩn ban hành quan quản lý chuyên ngành Mức độ điều khiển thành phần tùy thuộc vào qui mô, cấp độ quản lý hiệu kinh tế an ninh lượng yêu cầu hệ thống Sách Điều khiển thiết bị điện công nghiệp tập trung vào nguyên lý điều khiển vận hành thiết bị điện hệ thống điện công nghiệp cách độc lập kết hợp với thành phần hệ thống Nội dung tài liệu trình bày sở xây dựng mơ hình tốn thành phần Matlab/Simulink mô điều khiển vận hành với giả định gần với thực tiễn Các file mơ trình bày kênh youtube tác giả Tran Quang Tho Nhóm tác giả hy vọng tài liệu giúp độc giả sinh viên, học viên cao học nghiên cứu sinh chuyên ngành liên quan, có khái niệm thành phần thiết bị điện công nghiệp phương pháp điều khiển chúng để vận hành hiệu mặt kinh tế an ninh lượng Nội dung tài liệu gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan điều khiển thiết bị điện công nghiệp Chương 2: Các biến đổi công suất Chương 3: Điều khiển động chiều Chương 4: Điều khiển tốc độ động không đồng pha Chương 5: Điều khiển sạc pin Tài liệu sử dụng file hình vẽ tính tốn mơ dựa phần mềm Matlab/Simulink (2019b) Một số thuật ngữ hay ký hiệu chuyên môn tài liệu sử dụng tiếng Anh nhằm mục đích để người đọc thuận tiện tra cứu thêm thuật ngữ liên quan mạng internet Nhóm tác giả mong nhận góp ý độc giả để lần tái sau hoàn thiện Mọi ý kiến đóng góp xin gởi tác giả: Tiến sĩ Trần Quang Thọ - Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Số Võ Văn Ngân, P Linh Chiểu, TP Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh Email: thotq@hcmute.edu.vn Điện thoại: 09876 34085 Chào trân trọng! TP HCM, ngày 18 tháng năm 2022 Nhóm tác giả MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC .5 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .8 CÁC KÝ HIỆU 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP 15 1.1 Tính cần thiết điều khiển tự động thiết bị điện 15 1.2 Các mơ hình điều khiển 16 1.3 Mức độ điều khiển 18 1.4 Tiêu chuẩn đánh giá 20 1.5 Phần mềm mô 22 1.5.1 Giao diện Matlab/Simulink 23 1.5.2 Sử dụng Matlab/Simulink 25 1.5.3 Sử dụng hình từ Matlab/Simulink 29 CHƯƠNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 35 2.1 Sự phát triển linh kiện bán dẫn công suất 35 2.2 Các biến đổi dc 36 2.2.1 Mạch giảm áp .36 2.2.2 Mạch tăng áp 39 2.2.3 Mạch tăng/giảm áp .60 2.3 Bộ chỉnh lưu có điều khiển pha .64 2.4 Bộ chỉnh lưu có điều khiển pha .70 2.4.1 Mơ hình mơ .70 2.4.2 Khảo sát sóng hài .72 2.5 Bộ nghịch lưu pha 75 2.5.1 Bộ nghịch lưu pha bậc 75 2.5.2 Bộ nghịch lưu pha đa bậc ghép tầng .82 2.6 Bộ nghịch lưu pha 89 2.6.1 Nghịch lưu bậc 89 2.6.2 Nghịch lưu pha đa bậc .95 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 105 3.1 Mơ hình động 105 3.1.1 Mơ hình liên tục .106 3.1.2 Mơ hình rời rạc 109 3.2 Điều chỉnh tốc độ động .111 3.2.1 Sử dụng chỉnh lưu cầu pha .111 3.2.2 Sử dụng biến đổi DC-DC giảm áp 113 3.2.3 Sử dụng biến đổi DC-DC tăng áp .115 3.2.4 Sử dụng biến đổi DC-DC tăng/giảm áp 117 3.3 Xác định tham số điều khiển .118 3.3.1 Phương pháp Zigler-nichols .119 3.3.2 Phương pháp giải thuật di truyền GA .125 3.3.3 Phương pháp giải thuật tối ưu bầy đàn PSO 129 3.4 Điều khiển tốc độ động chiều không chổi than 136 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PHA 143 4.1 Động không đồng pha 143 4.2 Mơ hình động 147 4.2.1 Sơ đồ thay pha 147 4.2.2 Xây dựng mơ hình 149 4.3 Điều khiển tốc độ động sử dụng nguyên lý V/f số 152 4.3.1 Cài đặt tham số cho mơ hình 153 4.3.2 Kết mô 154 4.3.3 Mơ hình động 15kW sử dụng nghịch lưu 156 4.4 Sử dụng điều khiển PI điều khiển chế độ trượt 163 4.4.1 Mơ hình sử dụng điều khiển PI 165 4.4.2 Nguyên lý điều khiển chế độ trượt 168 4.4.3 Cài đặt tham số 175 4.4.4 Kết nhận xét 176 4.5 Điều khiển động không đồng pha sử dụng phương pháp MPC .183 4.5.1 Nguyên lý điều khiển dự báo dựa vào mơ hình .183 4.5.2 Xây dựng mơ hình MPC 188 4.5.3 Kết khảo sát .190 4.6 Động đồng pha 193 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN 199 5.1 Nhu cầu sử dụng pin sạc 199 5.2 Các tiêu chuẩn sạc pin xe điện 200 5.3 Các nghiên cứu liên quan 202 5.4 Nguyên lý hệ thống sạc 203 5.4.1 Mạch chỉnh lưu cầu pha 204 5.4.2 Mạch tăng áp chiều 205 5.4.3 Bộ biến đổi cầu H tích cực kép DAB .208 5.4.4 Nguyên lý điều khiển .211 5.4.5 Mơ hình pin sạc 214 5.5 Ảnh hưởng nhiệt độ 216 5.6 Kết nhận xét 218 5.7 Lọc sóng hài .226 TÀI LIỆU THAM KHẢO 230 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt AC Điện xoay chiều (Alternating current) AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial intelligence) BEV BLDC CB Xe chạy hoàn toàn điện (Battery electric vehicle) Động chiều không chổi than (Brusless DC) Cầu dao tự động (Circuit breaker) CMSI Nghịch lưu pha đa bậc ghép tầng (Casdaded multilevel single- phase inverter) CMV Điện áp cân điểm trung tính (Common mode voltage) CPU Bộ điều khiển trung tâm (Central processing unit) D DAB Độ rộng xung kích [pu] (Duty) Cầu H tích cực kép (Dual active bridge) DC Điện chiều (Direct current) DG Nguồn điện phân tán (Distributed generaion) FFT Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier transform) GA Giải thuật di truyền (Genetic algorithm) HB Độ rộng băng bão hòa (Hysteresis bandwidth) HCC Bộ điều khiển bão hòa dòng điện (Hysteresis current controller) IGBT Transistor cực cổng cách ly (Insulated gate bipolar transistor) INC Kỹ thuật gia tăng điện dẫn (Incremental conductance) MC Công tắc tơ điện từ (Magnetic contactor) MCB MCCB Mô tả Cầu dao tự động cỡ nhỏ (Miniature circuit breaker) Cầu dao tự động (Molded case circuit breaker) MPC Điều khiển dự báo dựa vào mơ hình (Model predictive control) MPP Điểm cơng suất cực đại (Maximum power point) MPPT Dị điểm cơng suất cực đại (Maximum power point tracking) OBC Bộ sạc theo xe (On-board battery charger) OL P&O Rơ le nhiệt (Overload relay) Kỹ thuật nhiễu giám sát (Perturb & Observe) PD Phân bố đồng pha (Phase disposition) PFC Bộ bù hệ số công suất (Power factor correction) PID Khâu tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional integral derivative) PLC Bộ điều khiển lập trình (Programmable logic controller) PMSM Động đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motor) POD Phân bố ngược pha (Phase opposite disposition) PR Khâu tỉ lệ cộng hưởng (Proportional resonance) PSO Tối ưu bầy đàn (Particle swarm optimization) PT Màn hình khả trình (Programmable terminal) PWM Điều rộng xung (Pulse width modulation) SAE Hiệp hội kỹ sư ô tô (Society of Automotive Engineers) SCR Chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (Semiconductor controlled rectifier) SMC Điều khiển chế độ trượt (Sliding mode control) SPWM SVC SVPWM Điều rộng xung theo sóng sin (Sinousoidal pulse width modulation) Điều khiển vector không gian (Space vector control) Điều chế vector không gian (Space vector pulse width modulation) THD Độ méo hài toàn phần (Total harmonic distortion) UPS Bộ nguồn dự phòng (Uninterruptible power supply) Điện áp ngõ vào nguồn chiều dựa theo công thức (2-22) bỏ qua sụt áp linh kiện lọc xác định sau: = Vdc 2VLL = m * Vac m (2‑28) Trong đó, VLL điện áp dây ngõ nghịch lưu Vac điện áp pha Có nhiều phương pháp để điều chế nghịch lưu pha Tuy nhiên, có phương pháp phổ biến phương pháp điều chế vector không gian SVC (Space vector control) phương pháp so sánh mức dựa vào điều rộng xung SPWM (Sine pulse width modulation) Đối với phương pháp SVC, độc giả tìm hiểu thêm tài liệu khác Phương pháp SVC có nhiều ưu điểm vượt trội nghịch lưu pha bậc với khả tăng cao số điều chế Tuy nhiên, nghịch lưu đa bậc số bậc tăng cao, phương pháp SVC lại trở nên phức tạp số trạng thái tăng theo hàm số mũ nên gây tốn nhớ điều khiển nặng tính tốn Hình 2‑76 Mơ hình điều chế nghịch lưu pha bậc sử dụng phương pháp SVPWM 90 Với nghịch lưu pha bậc, số trạng thái N xác định sau: y N= n= 2= (2‑29) Trong đó, N số trạng thái nghịch lưu, n số bậc y số pha nghịch lưu Trong thư viện phần mềm Matlab/Simulink có xây dựng sẵn phát xung điều chế sử dụng SVPWM (Space vector pulse width modulation) Trên hình 2-76 mơ hình minh họa sử dụng phát xung để điều chế cho nghịch lưu pha bậc Trong mơ hình này, tín hiệu điều khiển Vref pha có dạng sóng sin với biên độ đơn vị tương đối (pu) tần số 50 Hz Các dạng sóng điều khiển pha thể hình phụ hình 2-77 Time (seconds) Hình 2‑77 Dạng sóng điều khiển xung kích transistor Hình 2‑78 Điện áp dây dịng điện bus B1 (a) Điện áp (b) Dòng điện 91 Các dạng sóng điều khiển sau chuyển sang hệ tọa độ ảo Alpha-Beta đưa vào khối phát xung SVPWM cho xung kích để đưa vào kích transistor nghịch lưu Dạng sóng xung kích trình bày hình phụ hình 2-77 Khi đó, điện áp dây ngõ nghịch lưu bus B1 thể hình 2-78(a) có dạng xung vng theo điện áp nguồn dc Dòng điện pha đo B1 bị méo dạng đáng kể hình 2-78(b) Tuy nhiên, sau qua lọc LC, điện áp pha dòng điện tải RL đo bus BL giảm sóng hài đáng kể thể hình 2-79 Cụ thể, THD điện áp dịng điện hình 2-80 4.08% 2.95% tương ứng Hình 2‑79 Điện áp pha dịng điện tải RL đo BL (a) Điện áp (b) Dòng điện (a) 92 (b) Hình 2‑80 Phổ hài THD pha A (a) Điện áp (b) Dòng điện Như vậy, để giảm sóng hài ngõ nghịch lưu, sử dụng lọc tăng tần số chuyển mạch Điều làm tăng kích thước, giá thành thiết bị giảm hiệu suất Hơn nữa, thời gian dẫn transistor hình 2-77 tăng cao đáng kể đỉnh hình sin điều khiển Điều gây nhiệt cho transistor Theo độc giả, làm để khắc phục vấn đề này? Hình 2‑81 Mơ hình điều chế nghịch lưu pha bậc sử dụng phương pháp SPWM 93 Time (seconds) Hình 2‑82 Dạng sóng điều khiển xung kích transistor sử dụng SPWM Hình 2‑83 Dạng sóng điện áp pha dòng điện tải (a) Điện áp (b) Dịng điện 94 Hình 2‑84 Phổ hài THD pha A sử dụng SPWM (a) Điện áp (b) Dòng điện Hình 2-81 trình bày mơ hình điều chế nghịch lưu sử dụng phương pháp SPWM cách so sánh sóng điều khiển với sóng mang Vc thể hình 2-82 Các kết dạng sóng điện áp pha dòng điện tải trình bày hình 2-83 Tương tự, kết phổ hài THD hình 2-84 lại cho thấy khác biệt đáng kể so với kết hình 2-79 hình 2-80 Mời độc giả nhận xét kết 2.6.2 Nghịch lưu pha đa bậc Nghịch lưu pha đa bậc xu hướng ứng dụng [11]–[16] hệ thống có yêu cầu cơng suất lớn điện áp cao [17]–[21] Có nhiều sơ đồ nghiên cứu ứng dụng NPC (Neutral point clamped) [22], sơ đồ ghép tầng [23], sơ đồ lai, v.v Các sơ đồ nghịch lưu NPC sơ đồ nghịch lưu lai từ NPC có nhược điểm chủ yếu vấn đề cân tụ Vì vậy, tài liệu trình bày sơ đồ nghịch lưu pha bậc ghép tầng để làm minh họa 95 Hình 2‑85 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu pha bậc ghép tầng Tương tự điều chế nghịch lưu bậc, có nhiều phương pháp điều chế nghịch lưu pha đa bậc [24], chủ yếu gồm nhóm SVPWM [24] SPWM [25]–[28] Do nhược điểm phương pháp SVPWM có số trạng thái chuyển mạch nhiều có số bậc cao, tài liệu khơng trình bày phương pháp SVPWM mà chủ yếu trình bày phương pháp SPWM 96 Hình 2‑86 Nguyên lý điều chế với tần số sóng mang kHz (a) PD (b) POD Một vấn đề thường xuất nghịch lưu pha đa bậc điện áp cân điểm trung tính CMV (Common mode voltage) CMV thành phần tránh khỏi nghịch lưu pha đa bậc CMV gây nhiễu cao tần dòng rò làm ảnh hưởng tiêu cực đến thiết bị điện [29], [30], gây sóng hài cho biến đổi nối lưới [31] Do đó, việc giảm CMV phương pháp điều chế hiệu [32]–[36] nghiên cứu ứng dụng nhiều Về bản, có phương pháp điều chế SPWM dựa sóng mang tam giác gồm PD 97 (Phase disposition) POD (Phase opposite disposition) Ngồi ra, có phương pháp cải tiến dựa tảng phương pháp Trên hình 2-85 sơ đồ nguyên lý mạch động lực nghịch lưu pha bậc ghép tầng Trong sơ đồ sử dụng nguồn điện áp chiều Để có kết điện áp dây tương tự nghịch lưu pha bậc bên trên, mức điện áp nguồn DC ¼ *500 V hay 125 VDC Nguyên lý điều chế PD POD cho nghịch lưu pha bậc ghép tầng thể hình 2-86 Trong đó, tần số sóng điều khiển 50 Hz sóng mang kHz Hình 2‑87 Mơ hình mơ Simulink nghịch lưu pha bậc 98 Phương pháp điều chế có Vmax= pu, fm=50 Hz, fc=1 kHz (a)-(b) PD (c)-(d) POD Một mơ hình mơ minh họa trình bày hình 2-87 cho cấu trúc nghịch lưu hình 2-85 Trong đó, phương pháp điều khiển tương tự nghịch lưu pha đa bậc ghép tầng Về nguyên lý, xem gồm nghịch lưu pha ghép tầng ghép lại 99 Time (seconds) (a) Time (seconds) (b) Hình 2‑89 Dạng sóng điện áp pha CMV với Vmax=1 pu, fm=50 Hz, fc= kHz, Vdc=125 V (a) PD (b) POD Trong đó, mức điều khiển SP chuyển sang xung kích chuyển mạch trạng thái nhị phân SPj thông qua khối dec2bin Với p=A, B, C tương ứng với pha j=14 Khối có cấu trúc gồm bảng trạng thái khối Multiport_Switch tương tự hình 2-69 Trên hình 2-88 dạng sóng điều khiển có tần số 50 Hz xung kích pha A sử dụng phương pháp điều chế PD POD với tần số sóng mang kHz Hình 2-88 cho thấy số xung chuyển mạch chu kỳ 100 (tương ứng với tần số 50 Hz) phương pháp PD 22 Trong số xung chuyển mạch phương pháp POD 21 Mặt khác, dạng xung kích tạo điện áp pha điện áp CMV hình 2-89 với CMV tính sau: Vcm = VA + VB + VC (2‑30) Hình cho thấy biên độ CMV phương pháp PD 2*Vdc/3 hình 2-89(a) Trong đó, giá trị phương pháp POD hình 2-89(b) cịn nửa Vdc/3 Do đó, phương pháp điều chế sử dụng kỹ thuật PD sử dụng so với phương pháp POD ảnh hưởng tiêu cực CMV Hình 2‑90 Dạng sóng điều chế PD fc= kHz, Vmax=1 pu, fm=50 Hz, Vdc=125 V (a) Tín hiệu điều khiển sóng mang (b) Xung điều khiển SA Hình 2‑91 Dạng sóng điều chế POD fc= kHz, Vmax=1 pu, fm=50 Hz, Vdc=125 V (a) Tín hiệu điều khiển sóng mang (b) Xung điều khiển SA 101 Khi mô mơ hình hình 2-87 với sóng mang có tần số kHz, Vmax=1, pu fm=50 Hz, Vdc=125 V Trong mơ hình này, ngõ nghịch lưu nối trực tiếp với tải RL có điện trở 30 W điện cảm 10 mH Như vậy, mơ hình khơng cịn lọc LC mơ hình nghịch lưu pha bậc hình 2-81 bên Vì tần số sóng mang kHz, nghịch lưu bậc cho sóng hài thấp nên khơng cần lọc đáp ứng phụ tải RL Khi đó, đáp ứng hình 2-90 2-91 thể dạng sóng điều chế pha A phương pháp PD POD tương ứng Hình 2‑92 Dạng sóng điện áp dịng điện ngõ điều chế PD với fc= kHz (a) Điện áp pha A CMV (b) Điện áp dây VAB (c) Dòng điện pha tải Các xung điều khiển SP (với p=A, B, C) chuyển thành xung kích transistor thơng qua chuyển đổi dec2bin Khi đó, dạng sóng điện áp pha A, CMV, điện áp dây VAB dòng điện pha tải phương pháp PD POD trình bày hình 2-92 2-93 Một cách trực quan thấy rằng: dịng điện pha tải phương pháp PD hình 2-92(c) méo dạng so với dịng điện phương pháp POD hình 2-93(c) Điều khẳng định thông qua phổ hài THD dịng điện pha A hình 2-94 phương pháp điều chế Cụ thể, phương pháp PD có THD dịng điện pha A 2.43%, đo từ thời điểm 0.02 s chu kỳ hình 2-94(a), thấp đáng kể so với phương pháp POD hình 2-94(b) 4.03% Tuy nhiên, biên độ CMV phương pháp POD hình 2-93(a) nửa so với biên độ phương pháp PD hình 2-92(a) 102 Hình 2‑93 Dạng sóng điện áp dịng điện ngõ điều chế POD với fc= kHz (a) Điện áp pha A CMV (b) Điện áp dây VAB (c) Dòng điện pha tải (a) PD 103 (b) POD Hình 2‑94 Phổ hài THD dịng điện tải pha A (a) PD (b) POD 104 ... ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP 15 1. 1 Tính cần thiết điều khiển tự động thiết bị điện 15 1. 2 Các mơ hình điều khiển 16 1. 3 Mức độ điều khiển 18 1. 4 Tiêu chuẩn đánh... pha φ Góc lệch pha φm Góc lệch pha điện áp đặt 13 14 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CƠNG NGHIỆP 1. 1 Tính cần thiết điều khiển tự động thiết bị điện Sự phát triển kinh tế xã hội đòi... thành phần thiết bị điện công nghiệp phương pháp điều khiển chúng để vận hành hiệu mặt kinh tế an ninh lượng Nội dung tài liệu gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan điều khiển thiết bị điện công nghiệp