Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Nghiên cứu điều khiển mạch lọc tích cực đa bậc 3 pha 4 dây

TOM TAT LUAN VAN.Luận van tập trung nghiên cứu về sóng hài và các nguồn phát sinh tronghệ thống điện và sử dụng mach lọc tích cực 3 pha 4 day dùng nghịch lưu ba bacNPC neutral point clam

NGUYEN MINH THÁNH

NGHIEN CUU DIEU KHIEN

MACH LOC TICH CUC DA BAC 3 PHA 4 DAY

CHUYEN NGANH: THIET BI, MANG VA NHA MAY DIENMA NGANH: 605250

LUAN VAN THAC SI

TP HO CHI MINH, thang 06 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

Cán bộ chấm nhận Xét 1: ccccccccccssesssecescececescscescccecsceccscseecescseeesescaeeseecaeseeaeacaees

Cán bộ chấm nhận XÉt 2: -G se S333 E3 918 5858153151118 E18 1 E8 re

Luan văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI DONG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: Nguyễn Minh Thành MSHV: 12180122

Ngày tháng, năm sinh: 22/06/1976 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện Mã số: 605250

I TEN DE TÀI: NGHIÊN CỨU DIEU KHIỂN MACH LOC TÍCH CUC DABAC 3 PHA 4 DAY

NHIEM VU VA NOI DUNG:Nghiên cứu điều khiển mạch lọc tích cực đa bậc 3 pha 4 dây.Il NGÀY GIAO NHIỆM VU: 10/2/2014

II NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 20/06/2014

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Văn Nhờ

- Tp HCM, ngày thang 06 năm 2014

CAN BỘ HƯƠNG DÁN CHU NHIEM BO MON DAO TẠO

TRUONG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

TOM TAT LUAN VAN.Luận van tập trung nghiên cứu về sóng hài và các nguồn phát sinh tronghệ thống điện và sử dụng mach lọc tích cực 3 pha 4 day dùng nghịch lưu ba bacNPC (neutral point clamped) cho tải không cân bang và phi tuyến.

Áp dụng lý thuyết khung tham chiếu đồng bộ (SRF - Reference FrameTheory) để tính dòng bù Trong mô hình điều khiến, điện áp tụ DC được hiệuchỉnh bằng điều khiển PI, dòng điện can bù được hiệu chỉnh băng bộ điều khiếnPI va repetitive Ngoài ra, van dé mat cân bằng điện áp tụ DC được giải quyếtmột cách hiệu quả băng kỹ thuật điều khiển mới sử dụng trong điều chế độ rộng

xung áp dụng cho nghịch lưu 3 pha 4 nhánh NPC.

Mô phỏng được thực hiện bằng Matlab/Simulink Kết quả đạt được khangđịnh tính hiệu quả trong mô hình điều khiến và tính khả thi của kỹ thuật dé xuấtvới điều kiện điện áp DC không cân băng

SUMMARYThe thesis focuses on studying of harmonics and generator sources inpower systems and the use of three phase four wire active power filter (APF)with a three-level neutral point clamped (NPC) inverter for nonlinear,unbalanced loads.

For obtaining the desired reference current, the method of Voltage SourceConverter (VSC) of the Shunt Active Power Filter (SAPF) using SynchronousReference Frame Theory (SRF) is employed In the controlling model, theProportion-Integral (PI) controller regulates the DC voltage in the outer-loopcontroller and the PI and repetitive controller regulates the compensatingcurrent Furthermore, the DC-voltages imbalance is resolved effectively by anovel PWM control technique for 3 phases 4 leg NPC inverter.

Simulations are implemented by Matlab/Simulink The obtainedresults will confirm the effectiveness of the controlling model and the feasibilityof the proposed technique under conditions of DC-voltages imbalance.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sô liệu,kêt quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bô trong các côngtrình khác.

Ngày tháng 06 năm 2014Sinh viên thực hiện

NGUYÊN MINH THÀNH

IEEELPEHPF

RCPCC

PLL

Active Power FilterAlternating CurrentDirect currentInsulated Gate Bipolar TransistorInstitute of Electrical and Electronics EngineersLow Pass Filter

High Pass FilterNeutral Point ClampedPules Width ModulationSource Power FactorTotal Harmonic DistortionVoltage Source InverterInternal Model PrincipleProportional Integral DerivativeProportional Integral

Repetitive ControllerPoint of Common CouplingPhase Locked Loop

MỤC LỤC

Trang

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ |LỜI CAM ƠN CC G G0000 0920000099 9 9k 56 ilTóm tat luận văn ¿- + + SE +k E9 E311 5 1111115111111 1111111 1xx iiiLời cam GOAN - - - << << S900 0900000 99 9 9 n9 ng IVe0: VvCHƯƠNG I MO DAU ccceccccccsscscssssssssessssssssssssssssssssssssssssssssesssssessssssesssssssssseees 1LL T6mg quan ĂÁĂAÁ |1.2 Mục đích và đối tượng nghiên CỨu + k+k+k*E#E#ESESESEeEkrkrkrkeeeeeed |1.3 Y nghĩa khoa học và thực tiễn của dé tài nghiên cứu ¿-5s5s5xes¿ 2CHƯƠNG II SÓNG HAI - NGUYÊN NHÂN, ANH HUONG CÁC GIẢIPHÁP KHÁC PHUC 5-5-5 << %9 999EeEeEeEeE xxx xxx 52 3

2.1 Khái niệm vé sóng hài «+ sex S331 E18E5E 1 1111 11v ng greg 32.2 Ảnh hưởng của sóng hài bậc CaO - - - k1 SESEExEkSkcv cv rerreg 62.3 Các ngudn tạo ra sóng hài - «s11 1181515 1 1111 xxx ng greg 72.4 Các giải pháp loc công suất - cv S11 E115 5 1 E11 xxx greg 9CHUONG IIL CAU TRÚC MACH LỌCC 5 5-5-5 s5 sec £ses 11

3.1 Sơ đồ khối hệ thong occ cceescseesesscscsesescscscececsvsvsvevscsvsessececececacasavavavens 113.2 Xác định các tham số bộ nghịch ưu 55555 ssseeeereess 13CHUONG IV GIẢI THUẬT DIEU KHIỂN 5-5-5- 5< 5< << << s=s 184.1 MO hình fOáñ - - LEc G0920 9 9009 nu ng 184.2 So đồ giải thuật điều khién ooo eececscsesesescecscscscscsssvevevevsvscssessenenenens 234.3 Xác định dòng bù 0000101001 111111 1111111800031 11 11kg v2 24

4.5 Bộ điều khiển dòng điện «+ s11 SE SE Exrkrkrkrkrkekred 274.6 Chuyển đổi hệ tọa độ - - - k1 ST H11 g1 1xx 404.7 Biến đồi điện áp tham chiếu ra điện áp điều khiễn - 5s ss+x+x+sẻ 414.8 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang - s5 5 s+s+x+xsxd 434.9 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM) 454.10 Cân bằng áp 2 tu điện - k1 H11 1111 1xx 46CHƯƠNG V MÔ HÌNH MACH LOC TÍCH CỰC SONG SONG 3 PHA 4DAY TRONG MATLAB/SILMULINK 5-5- <5 s5<cseseescsesesscse 575.1 Sơ đồ tÔng quấtt - - «s11 E191 115 1111111111111 g1 0 ru 575.2 Khối nguÖn «+33 E1 9191915131111 1 1 1 111110111111 1xx 575.3 Tab cecccesccscscsccscscsscscsesececsesscassesscarsesscsesesscassesscassesscavsnsacansesasansesasansesasavsveaseee 585.4 Khối APF: mach động lực và các tín hiệu đo đạc -«<s<- 595.5 Khối điều khiỂn: ¿- - + SE ES SE SEE191511 1111511111111 1111k 615.6 Cân bang áp tu Cl và C2 - th E1 1115151111111 11111111 0 re rv 64CHUONG VI KHAO SÁT DAP UNG MACH LỌC 5 5s 66

6.1 Các mục tiêu khảo Sát - + < + < CS 1133 2111113 ve 646.2 Khảo sat đáp ứng mạch ÏỌC - +5 2222222211111 15EESSsssssssss 64CHƯƠNG VIL KẾT LUAN 2 << << S5 S5 5s 99eseEeeeeeeeeeeseses 817.1 Nhiệm vụ của luận AN eee eeccccccceeeseseccccceeeseecccsseeessesccsseeeeesessesseeees 817.2 Tính khả thi của dé tai o.ce.eeceeccecsecssesseesessecseesseesecseessccsecseessecueeseenneeneenes 817.3 Những van đề tồn tại va hướng phat triỂn eseeesesesesesececseeees 81TÀI LIEU THAM IKKHÁO << 5 5 5s 559g cscscscsgse 83PHU LUC Lu 86PHU LUC 2unccccesssssccscscsssccscccssscsssccssccsssccssecssccssscsssecsseesssecsssesscessesenseersesenssesee 87

1.1 Tong quanChất lượng điện năng ngày càng được quan tâm do yêu cầu ngày càng khắckhe của các thiết bị tiêu thụ điện hiện đại Bên cạnh các thiết bị bù công suất phảnkhang, các thiết bị lọc sóng hài ngày càng được quan tâm, nghiên cứu và sử dụng.

Các tải chính tiêu thụ công suất trên lưới điện thường là các tải tuyến tính.Tuy nhiên, ngày nay các tải hiện đại thường chứa các thiết bị điện tử Dòng tiêu thụbởi các thiết bị mới này thường phi tuyến và do đó chứa các sóng hài dòng điện

Việc xuất hiện các sóng hải dòng điện từ các tải phi tuyến phát sinh vẫn đềnghiêm trọng trong hệ thống 1a: hệ số công suất thấp, tăng ton hao, giảm hiệu suấthoạt động thiết bị, tăng tổng thể méo dạng do các sóng hài

Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của linh kiện, thiết bị và kỹ thuật điều khiển tronglĩnh vực điện tử công suất, các bộ biến đôi công suất ngày càng được ứng dụngrộng rãi Với sự phát triển của công nghệ và tốc độ xử lý tín hiệu số, vi xử lý thìviệc thực thi và điều khiển các bộ biến đôi điện tử công suất cũng trở nên dễ dàngvà chính xác hơn.

Có thé giải quyết van dé này bằng một thiết bị lọc được lắp đặt song song vớitải Bộ này gồm một bộ lọc công suất 3 pha tích cực (APF) là một bộ nghịch lưu 3pha 4 dây Thiết bị lọc công suất tích cực APF là một trong những ứng dụng quantrọng của bộ nghịch lưu áp sử dụng cho hệ thống điện

So với thụ động (passive filter PF), bộ lọc công suất tích cực APF có ưu điểmhơn Bộ lọc PF có một số giới hạn, chỉ được thiết kế dé loại trừ tần số nhất định,không thé điều chỉnh một cách linh động được, điều này có thé gây cộng hưởng hệthống giữa tải và bộ lọc Ngoài ra, thông thường kích thước bộ lọc thụ động thườnglớn.

Trong khi đó APF có thể bù các thành phần sóng hải và dòng phản kháng mộtcách linh động hơn và có kích thước nhỏ hơn Tuy nhiên, bộ lọc tích cực APF cókhuyết điểm là điều khiến phức tap

1.2 Mục đích và đối tượng nghiên cứu:Đề tài nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ lọc công suấttích cực mắc song song (Shunt Active power filter - SAF) sử dụng cho hệ thống 3pha 4 dây.

chỉnh PI để 6n định điện áp tụ Thiết kế bộ điều khiến dòng điện kiểu Repetitive déchuyền đổi tín hiệu dòng thành tín hiệu áp Áp dung kỹ thuật điều chế độ rộng xungsóng mang để kích các chuyển mach Áp dụng giải thuật mới dựa trên nguyên lýhàm offset để điều khiến cân bằng áp tụ [3] Khảo sát, mô phỏng đánh giá kết quả.

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứuTrong nhiều tài liệu nghiên cứu hệ thống mạch lọc tích cực sử dụng nghịchlưu 3 pha 3 dây hoặc 4 dây Trường hợp sử dụng dạng 4 dây mạch NPC thườngđược ứng dụng ở dạng 3 nhánh NPC [13-14], trong đó dây trung tính của tải sẽ mắcvào điểm trung tính NP của bộ nghịch lưu và điều khiến hệ thống được kết hợp vớiđiều khiến cân bằng điện áp tụ DC như hình 3.1 Giải pháp này có ưu điểm là giảmbớt 1 nhánh NPC, giảm chi phí Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu cho thay, dokhông kiểm soát nhánh thứ 4 nên chất lượng của cau trúc nay bi han chế

Bộ nghịch lưu NPC phát sinh van dé nghiêm trong là sự không cân bang điệnáp hai tụ trong quá trình hoạt động làm anh hưởng chất lượng điều khiến, gây nguyhiểm cho hệ thống

Việc áp dụng thành công giải thuật mới vào cân bằng áp tụ cho hệ thống mạchlọc tích cực 3 pha 4 dây góp phan nâng cao chất lượng điều khiến cho cau trúc nảy,đặc biệt cho các ứng dụng có kiểm soát dòng điện nhánh thứ 4

CHƯƠNG II SÓNG HAI - NGUYÊN NHÂN, ANH HƯỚNG

VÀ CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC

2.1 Khai niém vé song haiĐiện áp được tao ra tại các nha máy điện, trạm điện lớn có dạng sóng sin rattốt Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thìcác dạng sóng cảng bị méo dạng Khi đó dạng sóng không còn sin Hình 2.1a thểhiện dang sóng sin, hình 2.1b thé hiện dạng sóng bị méo dang, không sin

Dang song sin

LÍ ve ce |

1U

Hình 2.2- Dạng sóng bị biến dạng do các sóng hài.Tín hiệu không sin, tuần hoàn có thé được phân tích Fourier thành tổng cácthành phan sóng sin có các tần số dao động là bội số của tần số cơ bản Hình 2.2 làvi dụ về dang sóng không sin, tuần hoàn chu kỳ cơ bản 50Hz là tong của các tinhiệu sin có tần số dao động 50Hz (cơ bản), 150Hz (hai bậc 3), 250Hz (hài bậc 5)

| LX XS

Ta \ xxx /UY WY

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Hình 2.2 — Tin hiệu không sin, tuần hoàn là tổng các tin hiệu sinPhân tích Fourier một sóng hai f(t) tần số cơ bản f (Hz), tần số góc cơ bảnw=2nf (rad/s):

Ker

THD=-———— (2.2)

C

Trong đó;C, = trị hiệu dụng thành phần cơ bản.C, = trị hiệu dụng thành phan hai bậc n.THD =0 nếu tín hiệu thuần sin (dòng hoặc áp).Một định nghĩa khác về THD nhưng ít được ủng hộ sử dụng là trị hiệu dụng(RMS) của tổng các sóng hai, chia cho trị hiệu dụng của tổng tat cả tín hiệu (côngthức (2.3)) [21].

Trong luận van, giá tri THD dòng và áp sẽ được tính theo công thức (2.2).Tiêu chuẩn sóng hài qui định ở IEEE STD 519-1992 bảng 2.1 và 2.2.

Bang 2.1Giới han méo dang điện ápĐiện áp tại PCC Méo dạng điện áp riêng biệt | Tổng méo dạng điên áp

(%) THD (%)Từ 69 kV trở xuống 3.0 5.069.001 kV đến 161 kV 1.5 2.5Từ 161.001 kV trở lên 1.0 1.5

Bang 2.2Giới hạn méo dang dòng điện cho hệ thống phân phối

120V đến 69000 VPhân trăm giới hạn méo dạng dòng điện so với I,

Méo dạng riêng lẻ các hài bậc lẻ

Ise/1i, <1] 11<h<17 | 17<h<23 | 23<h<35 | 35<h TDD

<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.020<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.050<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0100<1000 | 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

Cac hài bậc chăn có giới hạn băng 259% các gia tri trênIsc = dòng ngắn mạch 3 pha tại PCC

I, = dòng tải yêu cầu lớn nhất tại PCCTDD = Tổng méo dạng yêu câu (Total Demand Distortion), phần trăm méodạng hài dòng điện đối với dòng tải yêu cầu lớn nhất

PCC = Điểm kết nối chung (Point of common coupling.)Theo đó, ở mức điện áp dưới 69kV, THD điện áp cho phép là nhỏ hơn 5%.Các thành phan hài điện áp riêng lẻ nhỏ hơn 3%

Đối với méo dạng dòng điện, qui định theo tỉ lệ dòng ngắn mạch/dòng tảiIsc/1¡ Tiêu chuẩn không đánh giá dựa vào THD (méo dạng so với dòng co bản) madựa vào TDD, khi đó đánh giá méo dang so với I,, I; là trị hiệu dụng lớn nhất củatai TDD được định nghĩa theo công thức (2.4).

trong đó I, = tri hiệu dung hài dong điện bậc n.Khi THD nhỏ (nhỏ hon 10%) thi TDD va THD là tương đương nhau (sai lệchnhỏ hon 0.5%) [21].

2.2 Anh hướng của sóng hài bậc caoGay cộng hưởng

Sự hiện diện của các tụ điện trên hệ thống, chăng hạn như sử dụng để chỉnh hệsố công suất, có thể dẫn đến cộng hưởng hệ thống cục bộ, dẫn đến dòng vượt mứccho phép và có thé gây thiệt hại cho các tụ điện Điều này ảnh hưởng đến tính toáncông suất thiết kế các tụ bù

Ảnh hướng đến động cơ điệnCó thé minh họa qua vi dụ tai động cơ xoay chiều Khi động cơ được cấp bởiđiện áp nguồn không sin, ton hao phat sinh lớn hơn so với trường hợp nguồn dạngsin, gây ra do tác dụng của các sóng hai bậc cao của áp nguồn Động cơ giảm hiệusuất rất ít trong giới hạn cho phép nếu méo dạng sóng hài điện áp van còn tronggiới hạn 5% theo khuyến cáo Quá giới hạn trên, động cơ thường gặp van dé là quánhiệt.

Điện áp hoặc dòng hài làm phát sinh ton hao khác trong các cuộn dây stato,mach rotor va stator do dòng điện xoáy và hiệu ứng bề mặt và tôn hao do mạch từtrễ

T6én hao trong cuộn stator va rotor do thành phan hai cơ ban sẽ tăng lên do tácdụng của sóng hài bậc cao làm tăng dòng điện từ hóa.

Hiệu ứng bề mặt làm tăng điện trở mach rotor Tén hao trong cuộn rotor làmột trong những nguyên nhân chủ yếu làm giảm hiệu suất động cơ không đồng bộkhi mắc vào nguồn điện áp không sin

Các hài dòng hoặc áp bậc cao còn tạo nên các thành phần moment phụ baogồm moment dạng không xung và moment dạng xung Moment dạng không xungcó độ lớn không đáng ké so với moment hài cơ bản Moment dạng không xung tao

Moment dạng xung do tác dung của các hài khác bac cua từ thong va của dongđiện rotor tạo nên Trị trung bình của moment này băng không Thanh phanmoment xung do hài cơ ban của từ thông và các hài bậc cao cua dòng rotor có tácdụng chủ yếu Các moment xung tác động làm thay đổi vận tốc tức thời của độngcơ Ở vận tốc thấp, động cơ có thé chạy không êm và do đó moment xung lam giớihạn phạm vi điều chỉnh vận tốc động cơ Moment xung có thể gây hỏng hóc các bộphận cơ khí của truyền động nếu động cơ chạy ở vận tốc thấp và moment xung cótan số gần với tần số cộng hưởng của bộ phận cơ khí.

Tac động lên mạng truyền tảiCó hai tác động chính là: Ton thất tăng thêm do tăng giá tri RMS: yl : Roth

Các tác dong khác của song hai:o Ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai): cầu chi,

CB, relay o_ Các thiết bị đo đếm như kWh ghi nhận sai dữ liệu.o Làm các mạch PLL trong điều khiến hoạt động sai.o Ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông

Với các lý do nêu trên, các thành phần sóng hài trên lưới cũng như trên cácthiết bị cần được hạn chế đến mức tối đa, tránh gây hưởng đến các tải khác Đâycùng là tiêu chí đánh giá chất lượng điện năng

2.3 Các nguồn tạo ra sóng hài:Sóng hai được sinh ra phan lớn là do các tải phi tuyến hoạt động trên hệthống Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sóng hai Một số nguyên nhân phổ biếngồm [4]:

Một trong các nguồn sóng hài dòng điện phổ biến là các máy biến áp Ở chếđộ hoạt động bình thường, từ thông của lõi thép gần như tuyến tính ở khoảng mậtđộ từ thông nhất định nhưng nhanh chóng đạt bão hòa khi thông lượng tăng lên.Đặc tính phi tuyến này được mô tả thông qua đường cong trễ Khi bị bão hòa từdang sóng của dòng tạo nên bởi đặc tính nay là dang không sin:

i = coil current

© ®

CN⁄ X%⁄Z `%

Hình 2.3 - Dạng sóng dòng ra máy biến áp khi bị bão hòa từ.b Động cơ:

Tương tự như với máy biến ap, động cơ xoay chiều khi hoạt động có thể tạo radòng điện hài khi bão hòa từ Ngoài ra, do đặc điểm cau tao cơ khí của động cơcũng làm phát sinh sóng hài: phân bố lực điện từ không hoản toàn sin, khe hởkhông khí không đều

2.3.2 Các thiết bị phóng hồ quangCác đặc tính điện áp và dòng của hồ quang điện là rất phi tuyến Sau khiphóng hỗ quang điện áp giảm do ngắn mạch, giá trị dòng điện chỉ giới hạn bởi trởkháng hệ thống điện Các thiết bị loại này gồm: Các lò luyện hỗ quang điện và thiếtbị phóng điện phát sáng như chan lưu

2.3.3 Thiết bị điện tử công suấtCác thiết bị loại này như bộ chỉnh lưu một pha, các bộ biến đôi nguồn dòng,nguôn áp 3 pha các thiết bị nghịch lưu

dụng như:

Tivi, đầu ghi videoMay vi tính, may inLo vi song

Bộ điêu chỉnh tôc độ.Đèn huynh quang.

© O O AO OC

Các thiết bị này thường có tỉ lệ méo dạng dòng điện lớn, tuy nhiên công suattiêu thụ của các tải này thường nhỏ.

\ | | \\ | \ | \ |a \ | \

Bộ lọc thụ động truyện thông có khả năng lọc hạn chế, chỉ loại bỏ một tân sécô định Do đó nêu dé loại bỏ nhiêu sóng hào có tân số khác nhau thi cân nhiêu bộlọc thụ động lắp song song nhau làm kích thước và chi phí tăng cao

Các hạn chế trên được khắc phục khi sử dụng phương pháp lọc có điêu khiếnnhư là mạch lọc tích cực APF (active power filter) Bộ lọc nay sử dụng các linhkiện điện tử công suât, phương án điêu khiến thích hop đề điêu khiến

Đề xuất ban đầu cho mạch lọc tích cực kết nối shunt đã được thực hiện vàonăm 1971 để loại bỏ các dòng sóng hai qua bộ chuyển đổi bù từ thông Bên cạnhviệc loại bỏ sóng hài, hệ thống bi tích cực còn có thé được thiết kế dé cải thiện hệsố công suất, cân bằng dòng trên các pha.

Một phương pháp khác được đề xuất là kết hợp lọc tích cực và thụ động thànhbộ lọc lai (HAPF-hybrid APF) Mặc dù HAPF có một số ưu điểm hơn so với APFvà PF, tuy nhiên, mạch HAPF vẫn có một số hạn chế như: do vẫn còn sử dụng bộloc PF nên kích thước va chi phí tăng, mach PF ân định tan số lọc của mạch vàkhông điều chỉnh linh hoạt được

Bộ lọc tích cực có thể được thiết kế để bù sóng hài các tải phi tuyến đặc biệt,tránh ảnh hưởng đối với các sóng hài của nhà máy, thiết bị lân cận Tuy nhiên, quánhiều bộ lọc tích cực có thể ảnh hưởng tiêu cực đến phần còn lại của hệ thống, bởi

vì các bộ lọc tích cực không thực hiện giảm xóc cho các hài dòng điện [4].Mạch loc APF chia thành 2 kiểu kết nối lưới: Lọc APF mac nối tiếp, APF mắcsong song Thanh phan chính của mach APF là nghịch lưu nguồn áp: 2 bậc hoặc đabậc (số bậc >3) Đối với cau trúc da bậc, tùy theo cầu hình nghịch lưu, ta có các loạiAPF: cau hình cascade, câu hình NPC diode kep

Trong dé tài chi khảo sát mach lọc tích cực APF mac song song ba bậc cầuhình NPC diode kẹp, áp dung cho hệ thống 3 pha 4 dây Để nâng cao chất lượngđiều khiển, một phương pháp mới giúp điều khiển nghịch lưu 4 nhánh có cân bằngđiện áp giữa 2 tụ điện mạch một chiều được áp dụng

CHƯƠNG III CẤU TRÚC MACH LOC

3.1 Sơ đồ khối hệ thốngHệ thống có sơ đồ khối như hình 3.1

Lr apr: cuộn cảm giao tiép với lưới, cuộn cảm nay có điện trở

Chiều dòng điện như hình 3.1.Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn xoay chiều 3 pha cân bằng 4 dây, tansố 50Hz Tải 4 dây, phi tuyến và không cân bang

Khối APF là bộ nghịch lưu nguồn áp Mạch lọc sử dụng bộ nghịch lưu nguồnáp đa bậc NPC thường được chọn vì là cau trúc đa bậc có cau tạo đơn giản Đề thựchiện lọc cho hệ thống 3 pha 4 dây, cau trúc thường thấy trên các tài liệu khác là cầutrúc 3 bậc NPC 3 nhánh nối vào 3 pha, điểm giữa 2 tụ (N) nối vào trung tính hệthống (hình 3.2) Với cau trúc nay sẽ giảm được 1 nhánh, tuy nhiên do không kiểmsoát nhánh thứ 4 nên chất lượng bộ lọc bị hạn chế Trong luận văn sẽ khảo sát mạchlọc sử dụng nghịch lưu 3 bậc NPC 4 nhánh cho phép khắc phục các hạn chế trêntrên (hình 3.3).

3.2 Xác định các tham số bộ nghịch lưu:Mạch lọc được thiết kế với các thông số của hệ thống và yêu cầu như sau:

o_ Điện áp nguồn (RMS pha - neutral) V.=110V tần số f= 50Hz.o Dòng bù lớn nhất trên nhánh nghịch lưu Tymax=20A

o Độ nhấp nhô điện áp DC khi xác lập là nhỏ hơn 5% so điện áp đặt.Các tham số cần lựa chọn là điện áp tham chiếu Vpc, dung lượng 2 tụ DC vàgiá trị cuộn kháng giao tiếp với lưới, giá trị tham số được chọn như sau:

e Chon điện áp tham chiếu DCĐiện áp tham chiếu DC: Voc ref bị ràng buộc theo biéu thức:Vin < Voc ref /2< VcE rated

Trong đó Vm là biên độ điện áp nguồn, J2 =110V2(V) Vee ratea là hạn mứcđiện áp trên hai cực C và E của linh kiện chuyển mạch

Voc ref được tính theo công thức: [6], [22]Voc ref m.Vm.2, trong đó m = (1.2+2),

Nhấp nhô điện áp DC do quá trình nạp, xả ảnh hưởng đến hiệu năng hoạtđộng của mạch lọc, để cho mạch hoạt động tốt hơn, nhấp nhô điện áp DC thườngđược điều khiển sao cho mức nhấp nhô là 2-5% giá tri đặt

Cho rằng công suất tôn hao Dioss trên các linh kiện chuyển mạch nhỏ và đượcbỏ qua, khi đó công suất phía AC va DC bang nhau (hình 4.1):

Ppc biểu thi cho công suất tức thời phía DC, Pac là công suất tức thời phíaAC Cho rằng dòng trên 3 nhánh pha của nghịch lưu cân bằng, hai công suất này cóthể được viết:

dW d 1 1 1 d

Pbc = — aH (5 Coe%ei + 5 C0 Vey) = 5 Onc xưa + Voy) (3.3)

Pic= Us sourcetak apr + Ub sourcelok apr + Ue sourceler app (3-4)

Trong đó 1 app, x=a,b,c là dòng điện hai thứ k trên các nhánh pha.

Ủ„_ApE = Ay 2 sin(k27 ƒ f + „)

i, app = 1,A|2sin(k2z ft tự, — 22 13) (3.5)i pape = 1, N2 sin(k2a ftt+y,, +22 /3)

Vi vay;

Pyc=3.V,5,.cos[2atk-])f,.t+ Wiz] (3.6)Khi APF bom dòng điện hai ix, app vào hệ thống, công suất Pac dương, điệnáp trên tụ DC giảm Xét nữa chu kỳ khi Pac luôn dương, Vpc giảm từ Vpemax đếnVpemin, theo định luật bảo toàn năng lượng, từ công thức (3.2), (3.3):

1 1EDS, EDS,

Do Vicmax 7 Vic min a (Vocimax + Vc min WV pcimax 7 Voc min) a

A, là biên độ dao động điện áp DC gây ra bởi hài thứ k, được định nghĩa:

0, = Voc — pc „ Voc là điện áp DC tức thời

Giá trị cuộn kháng giao tiếp với lưới được tính theo [6]:

Gia trị h phụ thuộc mục tiêu giảm THD của hệ thống, nếu THD 5%, h có giátrị 5-10% giá trị dòng bù tham chiếu Ở đây cho h từ 1A đến 2 A.

Suy ra Lr app = 3 MH + 7 mH, chon L¿ app =ŠmH.

Bang 3.1Tong hợp các tham số bộ nghịch lưuCác giá trị tham số Giá trịĐiện áp đỉnh và tân số nguôn 3 pha Vụ, 11042 =155,6V/ f=50HzDC link voltage (Vpc rer) 560V

DC capacitor (Cpc) 1600uF/400VTân số sóng mang tam giác f„„ 9600HzCuộn cảm giao tiếp Le apr 5mHDiện trở cuộn kháng R¢ apr 0.50

CHU ONG IV GIẢI THUAT DIEU KHIỂN

Vv L R ig_APF

—— d APF {_APE,Ff_ APE

LoadDC AC

<_»> ~q >>

Hình 4.1 Mạch điện tương đương cho APFHình 4.1 là sơ đồ tương đương cho mô hình động APF

Phần mạch AC:Dùng định luật Kirchhoff cho điện áp đối với mạch phía AC ta có các phươngtrình cho 3 nhánh abc như sau:

Vo APF — Ly App dt + Re Aprl App + Vo source (4.3)

Do nguồn 3 pha cân băng nên có:

Va SOUrCE + Vp SOUrCE + Vo SOUrCEe — 0 (4.5)

Áp dụng định luật Kirchhoff về dòng điện:

Ly ape Ty App tle App T ly APF — 0 (4.6)Từ các biểu thức (4.1)-(4.3) ta được phương trình vi phân của hệ như sau:

L ibe — Auger ha, + Đà: 4

Trong đó:

i, app |Lobe = Ly APF

sinđ_ sin(đ-— 2®) sin(@ — +)

Khi đó phương trình 4.8 được viết lại như sau:

L ago — Aigo: L ago + Bayo Vago (4.14)

0 0Thự App

|B„ạ=| 0 0 (4.18)

Thự App

|0 0

l nãTừ các phương trình (4.13)-(4.17) được phương trình vi phân cho dòng điện ởtọa độ dq0:

CƯ app R I

f_APF = THe ype App — OL ¢ gprla App TẾ, ape — Vu source) (4.20)diy app

hy APE dt Ry App lọ APF + (Vy apr 7 Vo source ) (4.21)Đặt ug, Ug, Uo là các điện áp dau ra của đôi tượng điêu khién:

= Ly APF°* Ly APF + (Vy ape mm (4.22)ở — OL spplg App + („app 7 VY source) (4.23)Vo — (Vy apr 7 Yo source ) (4.24)

Suy ra:

Biến đôi Laplace phương trình (4.) được hàm truyền của đối tượng điều khién:

(4.26)

P() = C40

-dgo eg ape St Re App

Phan mach DC:Cho răng điện áp trên 2 tụ là cân bang, phương trình vi phân cho dòng điệnDC:

(4.29)

— : _— +5 source ˆ P source +jQ source ˆ 2 V source-Ì sources

NO | Geo(Va source-ld source Vq_ source-lq source) + J 2 (Vq source-Ìd source” V4 source-lq source)Nguồn cần bằng NEN Vg sourceU Suy ra

Ppc=P source <= (3/ 2).Vd souree-ld source Voc-lpc (4.3 0)Từ (4.28) và (4.30) ta thay igsource thay đối sẽ thay doi được điện áp Vpc Giatrị Vpc có thé được điều khiển qua ipc

Biến đổi Laplace phương trình (4.27) được đối tượng cho thiết kế điều khiếnhiệu chỉnh điện áp DC bang PI:

Voc _| (4.31)

4.2 — Sơ đô giải thuật điều khiếnTừ mô hình toán tong phân 4.1, sơ đô giải thuật điêu khiên được thiết lập nhưhình 4.1.

VC7+VC2Vp C_ref +

labc_load

: a Lẻ

labc_APF la load q_ret - Repetitive b V Biện

& Vdgo_ APF C | Vabc_APF đôi ra abcd APF Vemd DWM

Í0_load lo_ref > m tín hiệu mY

Các giá trị dòng điện trên tải tape joad, dong điện hôi tiếp tu APF tape apr, điệnap nguôn Vabe source ÑƯỢC chuyén vệ toa độ quay dqQ, øóc quay 0 bang ØÓC quay điệnAP Vạbc source, Và được xác định qua vòng khóa pha PLL dé được các ø1á tri sind,cos0 cung cap cho các bộ chuyên d6i tọa độ

Thành phân d cua dòng tải ig joaa cho qua bộ lọc thông cao dé xác định dòngbù, được trình bày trong 4.3.

Dòng điện tham chiếu iggo „ qua khối điều khiển dòng điện Repetitive & PIcontroller và chuyên về tọa độ abc để cho ra áp điêu khiển Vv’ abc apr Hiệu chỉnhdòng điện và chuyền đồi tín hiệu được trình bay trong phân 4.5-4.7

V”abed APF> lạbe Apr» Wer, Vc¿ là giá trị input của khối tính điện áp offset Điêukhiên điện áp offset dé cân băng điện áp 2 tụ Cl và C2 được trình bày trong phan4.9.

4.3 Xác định dong bu.Nguyên ly hoạt động APF như sau (hình 4.2):

Nguôn `AC Tal

L,ReMARA AY

Shunt activeC power filter

Nhu vậy, xác định dong bu là mot trong các nhiệm vu quan trong của bộ loc.Có nhiêu cách dé tính dong bu: Fast Fourier Transform [18], phương pháp côngsuat tức thoi (áp dung ly thuyết công suất tức thời, phương pháp PQ) [19], phươngpháp khung tham chiêu đông bộ (Synchronous reference frame — SRF, phươngpháp dq) [20]

Phương pháp Synchronous Reference Frame — SRF có kết quả tot hon so voicác phương pháp khác va ít nhạy cảm hơn đối với các nhiễu điện áp [5] Trongphương pháp SRF, dòng tải được chuyền đối trong khung tọa độ quay dq0 Nếu 0 là

góc quay (hình 4.3), các giá trị chuyển đổi được định nghĩa như sau (công thức4.34):

PLL sin_cos

Hình 4.4 — Sơ đồ khôi xác định dòng bù theo phương pháp dqĐây là hệ thông 4 dây nên dòng thứ 4 được suy ra từ 3 dòng còn lại:

iq APF— ~ (la APF th apr te APF) (4.37)

Đôi với phương pháp này không cân giá trị điện áp nguôn dé tinh dòng bù,nhưng phải xác định vi trí góc Ð = ot [5].

Ngoài thành phân sóng hài bị loại bỏ, các thành phân phản kháng và dòng thứtự không do tải không cân băng cũng được loại trừ Khối lọc thông thâp chọnf.„=25Hz Kết quả mong muốn sau khi lọc là dòng nguôn lsource CO dang sin méodang thâp, dòng 3 pha cân bang, dòng và áp nguôn cùng pha (hệ sô công suất ~1)

4.4 — Điêu khiến áp DCHiệu chỉnh điện áp DC là một trong các chìa khóa đề thiết kê mạch APF [7].Từ phương trình (4.31), điện ap DC được hiệu chỉnh băng bộ hiệu chỉnh PI dé chora dòng điêu khiến:

( HÀino = ue + vI Voc ref — Vạc ) (4.38)

Điện áp DC được hiệu chỉnh băng bộ điêu khiến PI (PI controller) cho phépbộ chuyền đôi PWM có thể hoạt động độc lập, tự túc mà không can nguôn DC cungcap riêng Cac tu điện DC được nap vào mot gia tri điện ap ban dau Dién ap DCđược do va so sánh với điện áp tham chiêu vpc ;e Giá trị sai lệch được sử dung déđiêu khiến độ lớn của dòng điện ipc, giá trị này được thêm vào thành phân d củadòng điện tham chiêu Bộ điêu khiên PI điêu chỉnh điện áp DC băng giá trị điện áptham chiêu băng cách cho PWM làm việc như một bộ chỉnh lưu PWM Qua đó,điện áp DC được duy trì trong hoạt động APF.

Gia tri k,, kị được chọn như sau:Từ công thức 4.27 sơ đô điêu khiến điện áp DC được thành lập như hình 4.5:

Voc_ref + inc Voc

k,+ki/s > 2/Cpcs >>- PI controller Plant

Hình 4.5 Sơ đô điều khiến PI hiệu chỉnh áp DCTừ sơ đô trên:

Đề có tín hiệu xung điêu khiến, phương pháp thường áp dụng là dùng bộ hiệuchỉnh dòng điện kiêu hysteresis Phương pháp này so sánh dòng hôi tiép APF vàdòng tham chiêu dé kích các chuyên mach

Liên quan đến phân sau, do cân băng áp 2 tu sử dụng nguyên ly điêu khiếnhàm offset nên chọn phương pháp hiệu chỉnh dòng điện ra điện áp và so sánh vớisóng mang đề kích các chuyên mạch.

Nhiệm vụ của bộ điêu khiến dòng điện là hiệu chỉnh tín hiệu dòng mong muốnthành tín hiệu điện áp tham chiêu, chuẩn hóa vé giá trị 0 >2 dé đưa đến bộ tạoxung kích.

Đề hiệu chỉnh dòng điện, phương pháp hiệu chỉnh qua khâu PI thường đượcchọn Từ mô hình toán (4.14) — (4.26), sơ đô điêu khiến được thiết lập như hình 4.6.Điều khién hiệu chỉnh dòng điện kiểu decoupling (hình 4.4a) dé loại bỏ ảnh hưởngqua lại giữa 2 trục d và q Khi đó điện áp nguôn được xem như nhiều va được loạitrừ băng cách cộng thêm vào Sơ đô được đơn giản hóa như hình 4.4b

Ga=k,tk/s ' >{ ` Pu)= hPIT Ap N ‘A Le app St+Re_ ppp

PI controller Vq_source Plant

| lo APFGp.=ka+k//S = >PI lp: TM ñ L app St Ry app

PI controller Vo_source Plant

Hình 4.6a -Sơ đô điêu khiến PI hiệu chỉnh dòng điện

ks +k, | k, k.

T +R LL

$ S

I+-? ˆ s“ +( Ƒ fiat ys +

5 Ly spr + Ry app Le Apr Lie App

Rõ ràng, đôi tượng điêu khién có dạng bậc I nên điêu khiến vòng kín có dạngbậc II Phương pháp Siemens được sử dụng rộng rãi trong việc điêu chỉnh thực têcác thông số PI Tư tưởng cốt lõi của thiết kê này là dé cho zero của bộ điêu khiếnbù với cực của đôi tượng trong miên s Khi đó:

KR (4.43)

k, LThay vào phương trình trên được:

tăng độ lợi k, của bộ điều khiến PI, hoặc giảm giá trị Le apr, hoặc tang tan số laymau và tan số chuyển mạch để làm cho T; nhỏ hơn Tuy nhiên, tat cả các phươngpháp trên không thé cải thiện hiệu suất thực hiện bù sóng hài một cách hiệu quả vàcó thé gây ra các van dé khác như dao động và bất ôn của APF và ton hao chuyểnmạch nhiều hơn Ngoài ra, giá trị của T; không thé quá nhỏ, do giới hạn bởi tan sốhoạt động của linh kiện Từ những phân tích trên chúng ta có thé thay rằng bộ điềukhiến kỹ thuật số PI có những hạn chế đáng kể Vì vậy, chúng ta cần tìm một bộđiều khiển phù hợp để cải thiện hiệu suất, trạng thái ôn định của APF va nâng caokhả năng tracking các sóng hài của nó một cách chính xác.

Để cải thiện bộ hiệu chỉnh, có thể thay PI bang cac controller: P-Resonantcontroller, Predictive controller, Deadbeat controller, Repititive controller

Trong luận văn chon Repititive Controller (RC) dé điều khiến dòng điện, khiđó sơ đồ khối hình 4.5 được vẽ lại (hình 4.7, 4.8):

Khối repetitive

Khối lặp IMP controller

Hình 4.7 Sơ đồ hiệu chỉnh dòng điện bằng bộ Repetitive controllerDo tính chu kỳ của bộ điều khiến lặp lại, rất khó cho hệ thông tự động có đápứng linh hoạt, nhưng bộ điều khiến PI có thể khắc phục các thiếu sót này Dé giảiquyết van dé, PI và điều khiến lặp được mắc hỗn hợp như sau (hình 4.8): [16]

lref + ÏAPF

Khối repetitive

Khôi lặp IMP controller

Hình 4.8 Sơ đồ hiệu chỉnh dòng điện bằng bộ Repetitive controller và PIKhối PI: điều chỉnh thời gian thực theo sai số để cải thiện hiệu năng động họccủa APF.

Khối Repetitive: Cải thiện sự chính xác trong bù sóng hải của APF ở trạngthái xác lập Có thé đảm bảo biên độ va pha dạng sóng ra không sai khác so với tínhiệu tham chiếu Bộ điều khiến repetitive thường được thực hiện trong một kiểu"olug-in", nghĩa là repetitive được sử dụng dé làm tăng thêm độ chính xác cho mộtbộ điều khiển danh nghĩa hiện hành (ở đây là điều khiến PI).

z biểu thị cho khâu làm trễ một nhịp: do lay mẫu, do tính tóan, tré do điềukhiến số tác động N là số lần lay mẫu trong một chu ky cơ bản, k, — hệ số độ lợi,Q(z) nhân t6 bu, P(z) là đối tượng điều khiến S(z) bù một phan cho đối tượng điềukhiển , z* nhân tố bù vượt trước, k số bước vượt trước dé bù pha do S(z) gây ra

Chiến lược kiểm soát có chứa phan làm trễ nên yêu cầu đáp ứng năng động,nhanh và 6n định cho APF là khó khăn Vì vậy, một bộ điều khiến dòng điện laibao gồm điều khiển PI và bộ điều khiến lặp lại được thực hiện Bộ điều khiến PI cảithiện khả năng đáp ứng và duy tri sự ôn định hệ thống, trong khi bộ điều khiểnrepetitive cung cấp độ lợi cao trong các tần số sóng hài nâng cao độ chính xác khibám theo dòng tham chiếu

Trong bộ điều khiển hỗn hợp, điều khiến PI và điều khiến Repetitive macsong song, phối hợp, bồ sung nhau cùng tác động vào hệ thống

Khi hệ thống ở trạng thái hoạt động ôn định, sai lệch của hệ thống là nhỏ, hiệulực điều khiến PI là rất nhỏ và ít có tác động trên hệ thống

Tại thời điểm này, hầu hết các hành động kiểm soát yêu cầu được cung cấpbởi bộ điều khiến Repetitive và kết quả điều khiến là của các sai số tích lũy trongquá khứ Tuy nhiên, khi sai lệch đột nhiên trở nên lớn hơn vì sự xáo trộn của tải, domột sự chậm trễ một chu kỳ tham chiếu, điều khiển Repetitive không thay đôi,nhưng điều khiến PI có thể phát hiện sai lệch và có thể đảm bảo tốc độ đáp ứng.Trong chu kỳ nay, dòng bù xuất ra được quyết định bởi điều khiển PI Mặc dù thựchiện bu thô, nhưng sau đó bộ điều khiến repetitive có ảnh hưởng trở lại và đóng mộtvai trò điều tiết sao cho sai lệch giảm dần Khi các sai lệch giảm, hiệu lực kiểm soátđiều chỉnh PI dần dan suy yéu cho dén khi hé thong hoạt động dat đến một trạngthái ôn định mới

4.5.1 Thiết kế các hệ số cho khối PI.Một trong các yêu cầu dé hệ 6n định và hoạt động được là hệ thống không cókhối repetitive hoạt động ôn định Ham truyền khối PI được thiết kế như sau:

Gps) = kp +k,/s