nghiên cứu ứng dụng điều khiển trượt điều khiển bộ lộc tích cực cho việc giảm sóng hài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỮU KHÁNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM SÓNG HÀI Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHAN VĂN HIỀN Phản biện 1: GS.TS NGUYỄN DOÃN PHƢỚC Phản biện 2: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 7 tháng 12 năm 2013. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay việc đánh giá chất lượng điện năng không còn đơn thuần là đảm bảo ổn định tần số, điện áp, độ tin cậy cung cấp điện mà còn phải quan tâm đến việc giảm được lượng sóng hài do các các phụ tải gây ra trên lưới điện, thể hiện ở chỉ tiêu chỉ tiêu rất quan trọng đó là độ méo dạng (THD) của dòng điện hay tỉ lệ dòng điện hài bậc cao so với dòng điện có tần số cơ bản. Dòng điện hài là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới, thành phần này chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao. Việc sử dụng các thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, đã và đang được quan tâm trong những năm gần đây. Một trong các phương pháp lọc sóng hài là sử dụng bộ lọc tích cực. Điều khiển dòng điện phát ra từ bộ lọc để triệt tiêu dòng điện hài có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện. Trong đề tài này tôi nghiên cứu điều khiển trượt để điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài. Với hướng nghiên cứu này, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển trƣợt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài” để làm luận văn tốt nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu Điều khiển trượt đang giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại, vì nó đảm bảo tính khả thi của hệ thống, đồng thời lại thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ như độ chính xác, độ tác động nhanh, tính bền vững và ổn định tốt, dễ thiết kế và thay đổi… Ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển trượt là tính ổn định bền vững ngay cả khi hệ thống có nhiễu hoặc khi thông số của đối 2 tượng thay đổi theo thời gian. Với các ưu điểm trên mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tạo ra được bộ điều khiển trượt điều khiển giảm lượng hài cho tải phi tuyến. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đồi tượng nghiên cứu các bộ điều khiển PID, điều khiển trượt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài cho các tải phi tuyến - Nghiên cứu tạo bộ điều khiển trượt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài gây ra bởi tải là biến tần và động cơ điện ba pha. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Kết hợp khảo sát các tải phi tuyến, mô phỏng đối tượng trên matlab/simulink. 5. Cấu trúc của luận văn Mở đầu Chương 1. Tổng quan về sóng hài và các phương pháp lọc sóng hài Chương 2. Nguyên lý điều khiển trượt. Chương 3. Nghiên cứu điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài tải phi tuyến Chương 4. Mô phỏng và kết quả Kết luận và kiến nghị. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.2. TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI 1.2.1. Sóng hài Sóng hài là các sóng sinh ra có tần số khác tần số cơ bản, có thể xem đây là trường hợp riêng của sóng điều hòa, sóng điều hoà có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số cơ bản. Để đánh giá sự méo dạng sóng điều hòa do dòng điện hài gây ra ta sử dụng thông số quan trọng đó là hệ số méo dạng THD (Total Harmonic Distortion) được xác định bằng biểu thức sau: 1 2 2 X n n X THD (1.1) Trong đó: X 1 : biên độ thành phần cơ bản;X n : biên độ thành phần điều hòa bậc n. Từ (1.1) ta có thể đáng giá độ méo dòng điện và điện áp qua hệ số méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp. 1.2.2. Các nguồn tạo sóng hài Các nguồn sinh sóng điều hòa trong công nghiệp được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến. Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép của MBA, động cơ (đặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, nguồn hàn, các hệ truyền động điện, lò hồ quang điện, lò nấu thép cảm ứng, lò tôi cao tần. 4 1.2.3. Ảnh hƣởng của sóng hài a. Ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất Để thấy sóng hài có thể gây ra bởi các bộ biến đổi công suất ta phân tích dạng sóng của một số bộ biến đổi công suất. a.1. Chỉnh lưu cầu một pha (tải có tính cảm) a.2. Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển (tải có tính cảm) a.3. Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển (tải có tính cảm) b. Ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các phụ tải tại nhà máy đường Đăk Nông. b.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống điện và các phụ tải của nhà máy đường Đăk Nông. b.2. Hệ thống phụ tải khâu ép mía Được bố trí lần lượt qua 5 máy ép, Các động cơ điện kéo máy ép được sử dụng có 4 động cơ công suất 220KW, điều khiển tốc độ qua các biến tần và một động cơ điện công suất 440KW ở cuối khâu ép. b.3. Phân tích các ảnh hưởng của các sóng hài gây ra cho hệ thống điện từ hệ biến tần cung cấp cho động cơ điện máy ép mía. - Động cơ sử dụng trong khâu ép động cơ ba pha, công suất 220KW, điện áp 380V; dòng 394A. Các thông số R, L được xác định R đc = 0.2( ); L đc =3.10 -3( H). Tốc độ định mức 736 (vòng/phút). - Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp điện động cơ ép mía.(hình 1.29) Hình 1.29. Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp điện động cơ ép mía 5 - Dạng sóng hài và hệ số méo dạng THD. + Dạng sóng dòng điện 01 pha của hệ thống tải Hình 1.30. Dạng sóng dòng điện của một pha của hệ thống tải + Dạng phổ dòng điện và độ méo dạng từ trường ở trường hợp cơ bản khi R=0.2 , L=3.10 -3 H. Hình 1.31. Phổ dòng điện hài và độ méo dạng R đc =0.2 , L đc =3.10 -3 H Qua phân tích trên ta thấy khi tải hoạt động đã sinh ra sóng hài có ảnh hưởng đến lưới điện. Vậy cần có các biện pháp để hạn chế, lọc bỏ lượng sóng hài trên. 1.2.4. Ảnh hƣởng của sóng điều hòa bậc cao Sự tồn tại sóng điều hòa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện. Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng. 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 1.3.1. Khái quát. Để triệt tiêu sóng hài hay sóng điều hoà bậc cao ta thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị có khả năng tạo ra các dạng sóng đối 6 ngược sóng hài để bơm vào hệ thống, với mục đích làm mất các sóng hài. Bộ lọc sóng điều hoà có thể là: - Bộ lọc thụ động (Passive Filter). - Bộ lọc chủ động (Active Filter). - Bộ lọc hỗn hợp cả chủ động và thụ động. 1.3.2. Bộ lọc thụ động Bao gồm các phần tử R, L, C được ghép nối với nhau và được lựa chọn cho một tần số lọc xác định. Các loại lọc được sử dụng phổ biến như: a. Bộ lọc RC Bộ lọc RC có thành phần chủ yếu là điện trở R và tụ điện C. Kết cấu của bộ lọc RC như hình 1.34. b. Bộ lọc LC Bộ lọc LC có thành phần chủ yếu là điện cảm L và tụ điện C. Kết cấu của bộ lọc LC như hình 1.35: Input Output R C Hình 1.34. Bộ lọc RC Input Output C L Hình 1.35. Bộ lọc LC 7 1.3.3. Bộ lọc tích cực Phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực là phương pháp hiện đại ngày càng chiếm ưu thế, rất mềm dẻo trong cấu hình phần cứng lẫn phần mềm để xử lý phù hợp với những loại tải và các điều kiện điện áp nguồn cung cấp khác nhau. a. Vai trò của bộ lọc tích cực - Bù công suất: - Bù sóng điều hòa điện áp: - Bù sóng điều hòa dòng điện: b. Phân loại bộ lọc tích cực Có nhiều cách phân loại dựa theo các tiêu chí khác nhau chẳng hạn như dựa vào bộ biến đổi công suất được sử dụng, dựa theo sơ đồ kết nối bộ lọc, dựa theo nguồn cấp… - Phân loại theo bộ biến đổi công suất. - Phân loại theo sơ đồ. - Phân loại theo nguồn cấp. c. Bộ lọc tích cực (AF) Để thực hiện chức năng này bộ lọc AF hoạt động như một bộ nguồn ba pha tạo ra dòng điện thích hợp bơm lên đường dây. Dòng điện này sẽ triệt tiêu các sóng điều hòa bậc cao sinh ra bởi tải phi tuyến là thành phần ngược pha với tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao. Hình 1.36. Thể hiện cấu trúc của bộ lọc tích cực song song: Hình 1.36. Bộ lọc bộ lọc tích cực song song: Tải phi tuyến ~ AF i S i L i F 8 1.3.4. Bộ lọc hỗn hợp Thực chất là sự kết hợp của bộ lọc thụ động và bộ lọc tích cực. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc hỗn hợp như hình 1.37 Ngoài ra khi kết hợp AF và AFs ta được bộ UPQC (Unified Power Quality Conditioner) kết hợp được cả tính năng của AF và AFs. Trong UPQC, AFs có chức năng cách ly sóng điều hòa giữa tải và nguồn, điều chỉnh điện áp, giảm dao động, giữ điện áp cân bằng. CHƢƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT 2.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT 2.2. TÌM HIỂU VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT Nguyên tắc chung của điều khiển trượt là điều khiển sao cho sai lệch e(t) giữa tín hiệu chủ đạo w(t) ở đầu vào và tín hiệu đầu ra y(t) của hệ thống tiến về 0. Để làm được điều này ta phải tạo được các hàm trượt các mặt trượt và các điều kiện trượt ta lần lượt nghiên cứu các vấn đề sau: 2.2.1 Hệ thống biến 2.2.2. Điều khiển đối với các hệ thống một vào một ra SISO 2.2.3. Mặt trƣợt Hình 1.37. Bộ lọc hỗn hợp Tải phi tuyến ~ Lọc thụ động LC AF [...]... dạng THD khi sử dụng PID Như vậy khi sử bộ điều khiển PID độ méo dạng của dòng điện giảm xuống chỉ còn 4.61% 4.2.3 Khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt - Dạng sóng dòng điện : Hình 4.9 Dạng sóng dòng điện khi dùng điều khiển trượt - Phổ dòng điện và độ méo dạng THD 21 Hình 4.10 Phổ dòng điện và độ méo dạng THD khi dùng điều khiển trượt Như vậy ta thấy khi sử dụng bộ điều khiển trượt điều khiển bộ lọc thì độ... 0.822 Vậy bộ điều khiển PI là: R( s ) K P (1 1 1 ) 5,1.10 3 (1 ) TI s 6.2028 10 3 s 3.4.2 Điều điều khiển trƣợt a Cơ sở thiết kế bộ điều khiển trượt Nguyên lý chung của điều khiển trượt theo sơ đồ: 17 s(e) e w Mặt trượt - u ĐK trượt Đối tượng ĐK y Hình 3.15 Sơ đồ khối nguyên lý chung điều khiển trượt b Thiết kế bộ điều khiển theo mô hình của đề tài b.1 Sơ đồ tổng hợp Ta có sơ đồ của hệ thống: Sử dụng hình... bao quanh mặt trượt S = 0 với bề dày = và độ rộng / Nếu luật điều khiển bảo đảm cho điều kiện trượt được thỏa mãn ở bên trong lớp biên B(t) thì sau một thời gian hữu hạn, sai số điều khiển sẽ bé hơn , nghĩa là: e(t) / Khi S (2.23) thì sat (S) S là hàm liên tục nên tín hiệu sẽ giảm chattering, nhưng xảy ra sai lệch quỹ đạo CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC GIẢM SÓNG HÀI TẢI PHI... văn này ta nghiên cứu điều khiển giảm hài trên lưới do tải có sơ nguyên lý như sau: Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống nghiên cứu 3.2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ LỌC AF 3.2.1 Mô hình toán học 3.2.2 Cấu trúc điều khiển AF Để điều khiển AF phát ra dòng điện hài bám theo dòng điện hài trên tải ta thực hiện theo cấu trúc như sau: ~ v is il Tải phi tuyến s if + L vf A F Điều khiển nghịch lưu PWM 6 LPF Bộ điều khiển iref... phỏng ta thấy khi chưa gắng bộ lọc độ méo dạng THD = 27,06% , khi gắng bộ lọc tích cực với bộ PID thì độ méo dạng THD còn 4,61%, khi gắng bộ lọc tích cực với bộ điều khiển là bộ điều khiển trượt thì độ méo dạng THD còn 4.56% - Khi các thông số của tải thay đổi có ảnh hưởng đến chất lượng bộ lọc, tuy nhiên bộ đã thể hiện được vai trò loạc hài của mình luôn hạn chế được lượng hài cho hệ thống điện, qua các... lượng hài 22 được lọc, còn điện trở thay đổi lượng biến thiên của dộ méo dạng THD không đáng kể - Qua các các kết quả mô phỏng trên cho thấy bộ điều khiển trượt đáp ứng tốt đối với việc điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài đối với tải phi tuyến 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Như vậy khi đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE std 519 và tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 trong trường hợp khi chưa sử dụng bộ. .. dòng điện Hình 4.5 Dạng sóng dòng điện khi chưa sử dụng các bộ điều khiển - Phổ dòng điện và độ méo dạng THD Hình 4.6 Phổ dòng điện và độ méo dạng THD khi chưa sử dụng các bộ điều khiển 20 Khi chưa có điều khiển dạng sóng dòng điện bị biến dạng mạnh và độ méo dạng cao THD = 27,06% 4.2.2 Khi sử dụng Bộ điều khiển PID - Dạng sóng dòng điện Hình 4.7 Dạng sóng dòng điện khi sử dụng PID - Phổ dòng điện... bộ điều khiển phức tạp Để đơn giản ta có thể áp dụng theo tài liệu [3] Khi đó ta có bộ điều khiển phản hồi tín hiệu như sau: u (k de dt d 2w ) dt sgn(ke de dt ) với mọi > 0 Áp dụng điều này cho bài toán trong đề tài ta đề xuất bộ điều khiển: u ~  B 1[(ke  ) iref sgn(S )] 19 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 4.1.1 Mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PID 4.1.2 Mô phỏng khi sử dụng bộ. .. NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG BỘ LỌC TÍCH CỰC Một trong các giải pháp để khử hiện tượng sóng hài là sử dụng các bộ lọc công suất tích cực mắc song song với tải Chức năng của các bộ lọc tích cực này là phát ra một dòng điện gọi là dòng bù hài bơm lên hệ thống để khử các thành phần hài gây ra do tải Ta có cấu trúc của hệ thống khi mắc thêm bộ lọc tích cực như sau: Hình 3.1 Nguyên lý xây dựng bộ lọc 11 Trong khuôn... động nếu phụ tải có thay đổi thì bộ lọc vẫn đảm bảo hạn chế được lượng hài gây ra và độ méo dạng THD% đảm bảo trong giới hạn cho phép Qua các phân tích và mô phỏng kết quả cho thấy sử dụng điều khiển trượt điều khiển bộ lọc AF cho ra được kết quả tốt, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật Kiến nghị: - Hạn chế của luận văn  Trong quá trình làm việc lượng hài thay đổi chưa có bộ phận nhận dạng, đo lường sự biến . bộ điều khiển trượt điều khiển giảm lượng hài cho tải phi tuyến. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đồi tượng nghiên cứu các bộ điều khiển PID, điều khiển trượt điều khiển bộ lọc tích cực. hướng nghiên cứu này, tôi đã chọn đề tài Nghiên cứu ứng dụng điều khiển trƣợt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài để làm luận văn tốt nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu Điều khiển. trượt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài cho các tải phi tuyến - Nghiên cứu tạo bộ điều khiển trượt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài gây ra bởi tải là biến tần