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

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ THỦ ĐỨC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY Chủ nhiệm đề tài : VÕ HOÀNG LAN KHUÊ Khoa Điện - Điện tử Trang 51 TP HCM, Tháng 02 năm 2018 MỤC LỤC TRANG Mục lục i Danh sách chữ viết tắt ii Danh sách hình iii Danh sách bảng v Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sóng hài hệ thống điện Trang 52 2.2 Các phương pháp lọc sóng hài 16 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG BA PHA BA DÂY TRÊN MATLAB SIMULINK 21 3.1 Cấu hình lọc ba pha 22 3.2 Kỹ thuật điều khiển cho lọc 23 3.3 Thiết kế mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây 25 3.4 Xây dựng mơ hình mơ matlab simulink 31 Chương MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 37 4.1 Khảo sát hệ thống chưa có mạch lọc 38 4.2 Khảo sát hệ thống mạch lọc AF đóng điện vào lưới 43 4.3 Đánh giá kết mô 50 Chương KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trang 53 Hệ thống lưới điện bị gây hại nhiều tác nhân, nguy tiềm ẩn làm cản trở hoạt động làm hao mịn thiết bị người nhận biết sóng hài - mối nguy tiềm ẩn phát đầu thập niên 1890 Sóng hài dịng điện khơng mong muốn làm tải đường dây biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc chí gây hỏa hoạn) gây nhiễu lên lưới điện Trong trường hợp chạy nhiều động lúc, khơng có biện pháp kiểm sốt sóng hài làm q tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) làm máy ngừng chạy (do nguồn bị tải) Tác hại sóng hài với lưới điện giá trị hiệu dụng giá trị biên độ tín hiệu điện áp hay dịng điện tăng sóng hài kéo theo loạt nguy hại xảy với toàn hệ thống lưới điện làm tăng phát nóng dây dẫn điện, thiết bị điện sinh nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn nguy cháy nổ; làm cho tụ điện bị nhiệt nhiều trường hợp dẫn tới phá hủy chất điện mơi Các sóng điều hịa bậc cao cịn làm momen tác động rơle biến dạng gây tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm UPS đồng thời gây tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA dẫn đến làm tăng tổn thất điện Ngồi ra, sóng hài cịn làm tổn hao cuộn dây lõi thép động tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, ảnh hưởng đến sai số thiết bị đo, làm cho kết đo bị sai lệch Nguy hại hơn, sóng điều hịa bậc cao cịn sinh momen xoắn trục động gây dao động cộng hưởng khí làm hỏng phận khí động cơ; làm thiết bị sử dụng điện đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng đến người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền khơng gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng Nếu phải thay thiết bị hư hỏng nguyên nhân gây sóng hài, điều làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% kinh phí vận hành đến 10% Trong ngành công nghiệp, bảo vệ lợi nhuận ưu tiên hàng đầu, kiểm soát thiết bị kinh phí Trang 54 vận hành nhân tố quan trọng Muốn đạt mục tiêu doanh nghiệp, tổ chức cần lưu tâm làm tốt công tác hạn chế tác hại sóng hài Việc sử dụng thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, quan tâm năm gần Một phương pháp lọc sóng hài sử dụng lọc tích cực Điều khiển dịng điện phát từ lọc để triệt tiêu dòng điện hài Do người thực chọn đề tài “Mơ hình hóa mơ lọc tích cực ba pha ba dây” 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan Trên giới nước có nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu sâu vào nghiên cứu mơ hình lọc tích cực lọc tích cực pha, lọc tích cực ba pha ba dây, lọc tích cực ba pha bốn dây, nghiên cứu đa dạng, sử dụng thuật toán điều khiển đại điều khiển PID, điều khiển trượt, điều khiển logic mờ - nơron… Mỗi đề tài nghiên cứu có đặc điểm riêng tương ứng với mục đích nghiên cứu thiết kế, chế tạo Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh [1] nghiên cứu ảnh hưởng lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp sở thiết kế lọc tích cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hịa dịng điện bậc cao bù CSPK cho nguồn lò Đặc điểm lị loại tải cơng suất lớn, mức độ phi tuyến mạnh gánh nặng cho nguồn cung cấp công suất phản kháng (CSPK) Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp sở thiết kế lọc tích cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hịa dịng điện bậc cao bù CSPK cho nguồn lò, tác giả sử dụng thuật tốn thuyết cơng suất tức thời p – q làm thuật toán điều khiển cho AF Q trình tính tốn mơ hình hóa lọc phần mềm matlab/simulink, tác giả nhận thấy với cấu trúc, phương pháp, thuật toán điều khiển lựa chọn cho thấy lọc làm việc tốt (về tiêu chất lượng ổn định tĩnh, tốc độ chất lượng đáp ứng độ), dòng điện sau lọc có độ méo dạng đạt Trang 55 tiêu chuẩn cho phép IEEE std 519 IEC 1000-3-4, hệ số cơng suất PF có giá trị xấp xỉ nghĩa CSPK lọc bù lượng đáng kể Lê Thi Thu Uyên [5] nghiên cứu ảnh hưởng nhà máy xi măng Tây Ninh có sử dụng động cơng suất lớn lên lưới điện, động cơng suất lớn có tốc độ thay đổi sinh sóng điều hịa bậc cao làm tổn thất công suất, làm ảnh hưởng đến hộ tiêu thụ điện khác Sóng điều hịa bậc cao làm méo dạng (THD) dòng điện điện áp hệ thống điện, cần phải có biện pháp lọc để trả lại tín hiệu dịng điện điện áp hình sin cho lưới, nâng cao chất lượng điện hệ thống tác giả sử dụng thuật toán điều khiển mờ làm thuật toán điều khiển cho AF Võ Tuấn [12] nghiên cứu ảnh hưởng lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp sở thiết kế lọc tích cực ứng dụng hệ mờ nơron điều khiển lọc tích cực cho lị nấu thép cảm ứng, nhằm giảm sóng hài lò thải để nâng cao chất lượng điện cho lưới điện Q trình tính tốn mơ hình hóa lọc phần mềm matlab/simulink, kết cho thấy lọc tích cực thiết kế làm việc tốt, dịng điện sau lọc có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho phép IEEE std 519 IEC 1000-3-4 Qua tình thiết kế sử dụng hệ mờ nơron cho thấy phương pháp khả quan J Fei [4] nghiên cứu 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 thiết kế để thực giám sát dòng điện tham chiếu điều khiển dòng gián tiếp Ưu điểm việc sử dụng điều khiển trượt cho lọc tích cực song song với kỹ thuật dịng điện gián tiếp khơng cần phận phát sóng hài Bộ lọc tích cực thiết kế có hiệu triệt tiêu sóng hài tốt giảm nhỏ sóng hài dãi rộng dịng điện tải tải phi tuyến khác Trang 56 Farid Hamoudi [2] nghiên cứu lọc tích cực ba pha bốn dây áp dụng phương pháp điều khiển trượt Mục đích cải thiện dạng sóng dịng điện pha, giảm dịng điện trung tính tại, bù cơng suất phản kháng hệ thống phân phối 1.3 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài tải phi tuyến sinh ra, thuật toán điều khiển lọc tích cực Từ đó, đề tàithiết kế lọc tích cực song song ba pha ba dây, lọc sóng hài tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây Đề xuất thuật tốn điều khiển dịng điện trực tiếp cho lọc, làm giảm lượng sóng hài tải phi tuyến gây lưới 1.4 Giới hạn đề tài Với mục tiêu đề tài nêu, đề tài giới hạn nghiên cứu thành phần sau đây:  Tìm hiểu thành phần gây sóng hài  Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài  Thiết kế lọc tích cực song song ba pha ba dây  Mô đánh giá kết Trang 57 1.5 Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, báo ngồi nước  Tính tốn lý thuyết  Thiết kế mơ hình mơ phần mềm Matlab Simulink (Matlab 2013B)  Đánh giá kết quả, chất lượng hệ thống hiệu chỉnh 1.6 Nội dung đề tài Nội dung đề tài gồm chương: Chương 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, cơng trình nghiên cứu liên quan, đề xuất hướng nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu tổng quan lý thuyết liên quan đến đề tài: Sóng hài, qui định sóng hài, biện pháp lọc sóng hài Chương 3: Xây dựng mơ hình mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây matlab simulink Xây dựng thuật tốn điều khiển lọc, từ thiết kế xây dựng mơ hình phần mềm Matlab Simulink Chương 4: Mô đánh giá kết Chạy mô đánh giá kết mô Chương 5: Kết luận Kết luận, đánh giá điểm đạt tồn Đưa hướng phát triển Trang 58 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sóng hài hệ thống điện 2.1.1 Sóng hài gì? Chúng ta biết rằng, dạng sóng điện áp sin tạo nhà máy điện, trạm điện lớn tốt Tuy nhiên, di chuyển phía phụ tải, đặc biệt phụ tải phi tuyến dạng sóng bị méo dạng Khi dạng sóng khơng cịn sin Sóng hài dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng điện năng, cần ý tổng dòng điện hài cao mức độ cho phép Hình 2.1: Dạng sóng sin (a) dạng sóng hài (b) Sóng hài điện áp hay dịng điện hình sin có tần số bội số tần số công nghiệp (tần số bản), diện tải phi tuyến lưới điện Ví dụ dịng điện hài có tần số 250Hz lưới điện 50Hz sóng hài bậc Trang 59 Hình 2.2: Hình ảnh minh họa sóng hài 2.1.2 Tác hại sóng hài Sóng hài làm cho cáp bị nhiệt, phá hỏng cách điện Động bị nhiệt gây tiếng ồn dao động momen xoắn rotor dẫn tới cộng hưởng khí gây rung Tụ điện nhiệt phần lớn trường hợp dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử dụng điện đèn chiếu sáng bị chập chờn, thiết bị bảo vệ ngắt điện, máy tính lỗi (data network) thiết bị đo cho kết sai 2.1.2.1 Máy biến áp Ảnh hưởng sóng hài máy biến áp dịng điều hồ gây nên gia tăng tổn thất đồng tổn thất từ thông tản, sóng hài gây nên gia tăng tổn thất sắt Ảnh hưởng toàn gia tăng nhiệt độ máy biến áp Theo tiêu chuẩn IEEE C57.15.00-1980 giá trị giới hạn sóng hài dịng điện máy biến áp 0,5pu hệ số điều hồ dịng điện Tiêu chuẩn u cầu trị số điện áp hiệu Trang 60 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 RL 30 Điện cảm tải không cân LL 2e-3H 4.1 Khảo sát hệ thống chưa có mạch lọc Ta tiến hành thực mơ với mơ hình mạch hình 4.1, nguồn điện ba pha có điện áp dây 380V, tần số 50Hz Cung cấp cho ba tải phi tuyến có R = 30, L = 2.10-3H (tải Nonlinear load đóng vào mạch thời điểm t = 0s, Nonlinear load đóng vào mạch thời điểm t = 0,1s, Nonlinear load đóng vào mạch thời điểm t = 0,2s), lúc hệ thống chưa có mạch lọc sóng hài Sau khảo sát thơng số mạch Trang 92 Hình 4.2: Dạng sóng điện áp nguồn cung cấp Hình 4.3: THD điện áp nguồn cung cấp pha a t = 0,05s Trang 93 Hình 4.4: Dạng sóng điện áp tải Hình 4.5: THD điện áp tải pha a t = 0,05s Trang 94 Hình 4.6: Dạng sóng dịng điện nguồn chưa có mạch lọc AF Hình 4.7: THD dịng điện nguồn pha a t = 0,05s Trang 95 Hình 4.8: Dạng sóng dịng điện tải chưa có mạch lọc AF Hình 4.9: THD dòng điện tải pha a t = 0,05s Hình 4.2 hiển thị dạng sóng điện áp nguồn cung cấp hình 4.3 hiển thị THD điện áp nguồn cung cấp pha a 7,07% t = 0,05s Hình 4.4 hiển thị dạng sóng điện áp tải hình 4.5 hiển thị THD điện áp tải pha a 5,63% t = 0,05s Hình 4.6 hiển thị dạng sóng dịng điện nguồn hình 4.7 hiển thị THD dịng Trang 96 điện nguồn pha a 26,8% t = 0,05s Hình 4.8 hiển thị dạng sóng dịng điện tải hình 4.9 hiển thị THD dịng điện tải pha a 26,8% t = 0,05s 4.2 Khảo sát hệ thống mạch lọc AF đóng điện vào lưới Bây ta tiến hành thực mô với lọc đóng điện vào mạch thời điểm t = 0,03s Chúng ta khảo sát thông số mạch Hình 4.10: Dạng sóng điện áp lọc lọc AF điểm kết nối vào mạng Hình 4.11: Dạng sóng điện áp lọc lọc AF pha a điểm kết nối vào mạng Trang 97 Hình 4.12: Dạng sóng dịng điện lọc AF điểm kết nối vào mạng Hình 4.13: Dạng sóng dịng điện lọc AF pha a điểm kết nối vào mạng Hình 4.14: Dạng sóng dịng điện tham chiếu pha a lọc AF Trang 98 Hình 4.15: Dạng sóng dịng điện nguồn pha a có lọc AF Hình 4.16: Sai lệch dịng điện tham chiếu dịng điện nguồn pha A có lọc AF Hình 4.17: Dạng sóng điện áp tụ lọc AF Trang 99 Hình 4.18: Tín hiệu ngõ vào I*F mạch Hysteresis Hình 4.19: Tín hiệu ngõ vào IF mạch Hysteresis Hình 4.20: Sai lệch dịng điện I*F IF Trang 100 Hình 4.21: Xung kích pha, ngõ mạch Hysteresis Hì nh 4.22: Ngõ vào mạch Hysteresis Hình 4.23: Dạng sóng dịng điện tải pha a có mạch lọc AF Hình 4.24: Dạng sóng dịng điện nguồn pha a có mạch lọc AF Trang 101 Hình 4.25: Dạng sóng dịng điện nguồn tải có mạch lọc AF đồ thị Hình 4.26: THD dịng điện nguồn pha a có mạch lọc AF Trang 102 Hình 4.23 hiển thị dạng sóng dịng điện tải Hình 4.24 hiển thị dạng sóng dịng điện nguồn hình 4.26 hiển thị THD dịng điện nguồn với THD = 2,32 t = 0,05s Hình 4.25 hiển thị dạng sóng dịng điện tải nguồn đồ thị Ta thấy mạch lúc có lọc dạng sóng dịng điện nguồn sin hơn, chứng tỏ thành phần hài tải tạo loại bỏ, mạch lọc AF có tác dụng phát lên lưới đại lượng có giá trị ngược pha với thành phần hài tải Khi có lọc THD dịng điện nguồn giảm từ 26,80% (hình 4.9) xuống cịn 2,32% (hình 4.26) Trang 103 4.3 Đánh giá kết mơ Như mạch điện tải khơng tuyến tính làm cho dạng sóng dịng điện nguồn cung cấp bị biến dạng, cơng suất tải tăng cao độ biến dạng cường độ tăng cao Qua phân tích mô ta thấy mạch lọc đề xuất phát lên lưới dạng sóng hài ngược pha với sóng hài tải gây làm triệt tiêu sóng hài lưới, dòng điện nguồn cung cấp sin Khi chưa lọc thời điểm t = 0,05s, THD dịng điện nguồn 26,80% (Hình 4.9), có mạch lọc tích cực AF thì THD dịng điện nguồn 2,32% (Hình 4.26) Như đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 tiêu chuẩn sóng hài Bộ Cơng Thương qui định, trường hợp chưa sử dụng lọc tích cực thành phần sóng điều hịa dịng điện tải vượt tiêu chuẩn cho phép quy định theo bảng tiêu chuẩn Khi lắp thêm lọc tích cực hệ số méo dạng dịng điện THD dòng điện nguồn (is) giảm xuống 2,32% Ta thấy sử dụng lọc đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 tiêu chuẩn sóng hài Bộ Cơng Thương qui định Ngồi q trình hoạt động phụ tải có thay đổi lọc đảm bảo hạn chế lượng hài gây độ méo dạng THD% đảm bảo giới hạn cho phép Qua phân tích mơ kết cho mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây cho kết tốt, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Trang 104 CHƯƠNG KẾT LUẬN Đề tài “Mơ hình hóa mơ lọc tích cực ba pha ba dây” thực vấn đề sau: Tìm hiểu thành phần gây sóng hài, ngun nhân, tác hại sóng hài Các qui định sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 qui định sóng hài Bộ Cơng Thương theo thông tư 32/2010/TT-BCT ngày 30/07/2010 Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài Phân tích cấu hình lọc, cấu hình mạch nghịch lưu lọc, phương pháp điều khiển nghịch lưu Đề xuất phương pháp điều khiển dòng điện trực tiếp để thiết kế mạch điều khiển, điều khiển mạch nghịch lưu lọc để giảm sóng hài tải gây lưới Xây dựng mơ hình mơ mạch lọc tích cực ba pha ba dây để lọc sóng hài tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây Đã đề xuất thuật toán điều khiển dòng điện trực tiếp cho lọc, mạch lọc làm giảm lượng sóng hài tải phi tuyến gây lưới Qua trình nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế Đề tài thực việc mơ hình hóa mơ hệ thống phần mềm Matlab 2013B, kết mô ta thấy mạch lọc tích cực thiết kế làm việc tốt, dịng điện nguồn sau lọc có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 tiêu chuẩn sóng hài Bộ Cơng Thương qui định Trang 105 Tuy nhiên thời gian nghiên cứu hạn chế, đề tài chưa tìm hiểu nghiên cứu hết ưu điểm, nhược điểm phương pháp lọc sóng hài loại cấu hình hệ thống điện khác với tải phi tuyến khác nhau, đề tài chưa đề xuất phương pháp lọc tối ưu Trong q trình mơ chưa đưa thông số hài thực tế, đề tài đưa số tải giả định cố định (bộ chỉnh lưu tải RL), chưa khảo sát đến thay đổi công suất tải lớn ảnh hưởng đến mạch lọc Chỉ xây dựng điều khiển mức bản, chưa đưa biện pháp nâng cao chất lượng điều khiển Trong trình thực đề tài chưa thực mơ hình thực để kiểm chứng, kết mô MatLab/Simulink Cũng từ vấn đề nghiên cứu tác giả đưa số vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo:  Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm nghiệm kết mơ tải thực  Kết hợp phương pháp điều khiển khác (điều khiển trượt, hệ mờ, nơron…) tạo lọc có chất lượng cao Trang 106