thiết kế lọc tích cực để khắc phục ảnh hưởng của sóng hài do các phụ tải công nghiệp gây ra trong lưới điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ KIM DUNG Thiết kế lọc tích cực để khắc phục ảnh hưởng của sóng hài do các phụ tải công nghiệp gây ra trong lưới điện 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những vấn đề đƣợc trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nƣớc đã đƣợc xuất bản. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của ngƣời khác. Tác giả Lê Kim Dung ii LỜI CẢM ƠN nghiệp Thái Nguyên. Có đƣợc bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Khoa Điện, Khoa đào tạo sau đại học . Ngô Đức Minh, đã trực tiếp hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tôi với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài: “Thiết kế bộ lọc tích cực để khắc phục ảnh hưởng của sóng hài do các phụ tải công nghiệp gây ra trong lưới điện”. Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học đã trực tiếp giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành cho bản thân tôi trong nhƣng năm tháng qua. Tuy nhiên, do có sự hạn chế về thời gian và kiến thức nên Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn các thầy (cô) giáo đã hết lòng quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thành Luận văn. Trân trọng cám ơn./. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 5 năm 2014 Học viên Lê Kim Dung iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit) 15 Bảng 1.2. Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current Distortion Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV) 16 Bảng 1.3. IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc) 16 Bảng 4.1. Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn 61 Bảng 4.2 đƣa ra kết quả tính giá trị ứng với các thành phần điều hòa xoay chiều bậc cao: 66 Bảng 4.2. Biến thiên dòng điện với các thành phần sóng hài 66 Bảng 4.3. Giá trị các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn 75 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AF : Active – filter THĐ : Total – Hamonic Distortion CSPK : Công suất phản kháng CSTD : Công suất tác dụng PWM : Pulse width modulation VSC : Nghịch lƣu nguồn áp FFT : Fast Fourier Trans Form DFT :Discrete Fourier Transform v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii MỤC LỤC v LỜI NÓI ĐẦU 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÕA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 3 1.1. Tổng quan về sóng hài 3 1.1.1. Giới thiệu chung 3 1.1.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện 7 1.2. Tổng quan về công suất phản kháng 16 1.2.1. Giới thiệu chung 16 1.3. Kết luận chƣơng 1 18 Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 19 2.1. Khái niệm lọc sóng hài 19 2.2. Các phƣơng pháp lọc sóng hài 19 2.2.1. Bộ lọc thụ động 19 2.2.2. Bộ lọc chủ động 21 2.3. Kết luận. 26 Chƣơng 3: LỌC TÍCH CỰC VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP 27 3.1. Mô hình hệ thống 27 3.2. Tải phi tuyến 28 3.3. Lọc tích cực AF 31 3.4. Các phƣơng pháp điều khiển lọc AF 35 3.4.1. Cấu trúc hệ điều khiển 35 3.4.2. Các phƣơng pháp điều khiển bộ lọc tích cực 36 3.5. Kết luận 48 vi Chƣơng 4: THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO TẢI PHI TUYẾN CÓ DẠNG BỂ MẠ ĐIỆN PHÂN 49 4.1. Phân tích ảnh hƣởng đến lƣới điện của tải dạng bể mạ 49 4.1.1. Giới thiệu chung 49 4.1.2. Phân tích ảnh hƣởng đến lƣới của phụ tải bể mạ. 52 4.1.3. Kết quả mô phỏng 58 4.2. Xây dựng cấu trúc mạch lọc cho nguồn bể mạ 63 4.2.1. Xác định giá trị điện áp một chiều của nghịch lƣu 64 4.2.2. Xác định giá trị tụ điện C 64 4.2.3. Xác định giá trị điện cảm L 65 4.2.4. Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển 67 4.2.5. Khâu tạo xung cho bộ nghịch lƣu 68 4.3. Khảo sát hoạt động của mạch lọc với nguồn bể mạ 71 4.4. Kết luận. 79 KẾT LUẬN 80 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng 3 Hình 1.2. Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3 4 Hình 1.3. Phân tích Fn thành an và bn 6 Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lƣu cầu một pha 9 Hình 1.6. Dòng điện lƣới gây bởi bộ chỉnh lƣu cầu một pha không điều khiển 9 Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển 10 Hình 1.9. Dòng điện lƣới gây bởi bộ chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển 10 Hình 1.10. Phổ dòng điện chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển 10 Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lƣu cầu ba pha có điều khiển 11 Hình 1.12. Dòng điện phía lƣới và phân tích phổ khi = 300 11 Hình 1.13. Dòng điện phía lƣới và phân tích phổ khi = 500 12 Hình 1.14. Dòng điện phía lƣới và phân tích phổ khi = 700 13 Hình 1.15. Dòng điện phía lƣới và phân tích phổ khi = 900 13 Hình 1.16. Quan hệ giƣa các thành phần công suất trên đồ thị vectơ 16 Hình 2.1. Bộ lọc RC 20 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lƣới kiểu song song 22 Hình 2.3 Mô tả nguyên lý hoạt động của AF song song 23 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lƣới kiểu nối tiếp 24 Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của AFs 24 Hình 2.6 Bộ lọc kiểu lai 25 Hình 2.7 Bộ lọc UPQC 25 Hình 3.1. Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến 27 Hình 3.3 Cấu trúc mô phỏng tải chỉnh lƣu cầu 3 pha 28 Hình 3.4 Trị hiệu dụng điện áp lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 15độ 29 Hình 3.5 Trị hiệu dụng dòng điện lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 15độ 29 Hình 3.5 Phân tích sóng hài dòng điện lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 15độ 30 Hình 3.7 Trị hiệu dụng dòng điện lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 50độ 30 Hình 3.7 Phân tích sóng hài dòng điện lƣới trƣớc chỉnh lƣu khi = 50độ 31 Hình 3.8 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực 32 Hình 3.9. Sơ đồ mạch lực chỉnh lƣu PWM 33 Hình 3.10. Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lƣu PWM 33 viii Hình 3.11. Giản đồ vectơ chỉnh lƣu PWM 34 Hình 3.11. Giản đồ vectơ chỉnh lƣu PWM 34 Hình 3.12. Cấu trúc điêu khiển vòng hở chỉnh lƣu PWM với chức năng mạch lọc tích cực 35 Hình 3.13. Cấu trúc điêu khiển vòng kín chỉnh lƣu PWM với chức năng mạch lọc tích cực 36 Hình 3.14. Phƣơng pháp FFT 38 Hình 3.15. Thuật toán xác định dòng bù trong khung tọa độ dq 39 Hình 3.16. Thuật toán lựa chọn các sóng hài cần bù trong hệ dq 40 Hình 3.17. Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời 43 Hình 3.18. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM làm bộ lọc tích cực 44 Hình 3.19. Sơ đồ mô tả phƣơng pháp điều khiển kiểu bang-bang 45 Hình 3.20. Điều khiển phát xung cho pha A bộ lọc tích cực 46 Hình 3.21. Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện pha A 47 Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống bể mạ 50 Hình 4.2. Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng 50 Hình 4.3. Giải pháp bù sát cục bộ phụ tải 51 Hình 4.4. Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ 52 Hình 4.5. Mô hình hệ thống điêu khiển bể mạ 53 Hình 4.6. Nguồn xoay chiều 3 pha 53 Hình 4.7. Mô hình mạch lực của tải phi tuyến 54 Hình 4.8. Mô hình khâu điều áp xoay chiều 3 pha 54 Hình 4.9. Mô hình tải bể mạ 55 Hình 4.10. Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ 55 Hình 4.11. Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải 56 Hình 4.12. Khối tính toán công suất 57 Hình 4.13. Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha 57 Khâu đo áp: 57 Hình 4.14. Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha 57 Hình 4.15. Mô hình khối hiển thi tham số 58 Hình 4.16. Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải 58 Hình 4.17. Dòng điện phía nguồn cấp cho tải 59 Hình 4.18. Dòng điện nguồn pha A 59 Hình 4.19. Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=8 (V) 60 ix Hình 4.20. Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=16 (V) 60 Hình 4.21. Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=22 (V) 60 Hình 4.22. Thành phần điều hòa bậc 5 của dòng điện nguồn pha A 62 Hình 4.23. Thành phần điều hòa bậc 7 của dòng điện nguồn pha A 62 Hình 4.24. Hệ số công suất khi chƣa có mạch lọc 63 Hình 4.25. Dòng điện và điện áp nguồn pha A 63 Hình 4.26. Sơ đồ nguyên lý mạch lực có sử dụng bù 64 Hình 4.27. Mô hình khối tính toán dòng bù chuẩn 68 Hình 4.29. Khối chuyển dòng trong hệ abc sang . 69 Hình 4.30. Khối tính toán công suất p, q 69 Hình 4.31. Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ 69 Hình 4.32. Khối tính toán công suất bù cung cáp bởi mạch lọc 70 Hình 4.33. Khối tính toán dòng bù trong hệ 70 Hình 4.34. Khối tính toán dòng bù trong hệ abc 70 Hình 4.35. Khối phát xung cho bộ nghịch lƣu 71 Hình 4.36. Mô hình mô phỏng AF cho tải bể mạ 72 Hình 4.37. Điện áp nguồn 72 Hình 4.38. Dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động 73 Hình 4.39. Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 73 Hình 4.40. Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=8 (V) khi mạch lọc tác động 74 Hình 4.41. Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=16 (V) khi mạch lọc tác động 74 Hình 4.42. Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=22 (V) khi mạch lọc tác động 74 Hình 4.43. Thành phần sóng hài bậc 5 trƣớc và sau khi mạch lọc tác động 76 Hình 4.44. Thành phần sóng hài bậc 7 trƣớc và sau khi mạch lọc tác động 76 Hình 4.45. Công suất nguồn trƣớc và sau khi mạch lọc tác động 77 Hình 4.46. Công suất mạch lọc trƣớc và sau khi tác động 77 Hình 4.48. Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 78 Hình 4.49. Phân tích FFT Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 78 Hình 4.50. Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động 78 [...]... ngƣợc pha sao cho xếp chồng sóng hài cần lọc và sóng hài do bộ lọc phát ra đạt đƣợc giá trị tổng bằng không (zero) Đối với lọc thụ động chỉ lọc đƣợc sóng hài có tần số cố định theo tính toán tần số lọc, thì lọc tích cực lại có thể lọc đƣợc đồng thời nhiều sóng hài, thậm chí lọc cả phổ rộng gồm nhiều sóng hài không cố định tùy theo thiết kế cấu trúc bộ lọc Đến nay, Lọc tích cực đƣợc nghiên cứu và phát... chất điện môi - Các sóng hài bậc cao còn làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn - Gây ảnh hƣởng tới các thiết bị viễn thông : các sóng hài bậc cao có thể gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hƣởng đến thiết bị thu phát sóng Với những tác hại nhƣ vậy việc quy định một tiêu chuẩn thống nhất về các thành phần sóng hài bậc cao trên lƣới cần đƣợc đƣa ra để hạn chế ảnh. .. hiệu quả của các bộ lọc động Khi đó, lọc thụ động đƣợc thiết kế cho lọc các sóng hài cố định, bậc thấp (công suất lớn), lọc tích cực đƣợc thiết kế cho lọc các sóng hài động Mô hình 25 này rất thích hợp cho các tải phi tuyến công suất lớn có điều khiển Sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 2.6 Hình 2.6 Bộ lọc kiểu lai  Bộ lọc hỗn hợp (UPQC) Bộ lọc hỗn hợp UPQC đƣợc tổ hợp từ AF và AFs hình 2.7 Hình 2.7 Bộ lọc UPQC... cao gây ảnh hƣởng tới tất cả các thiết bị và đƣờng dây truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lƣới làm giảm chất lƣợng điện năng Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hƣởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trƣờng hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị Ảnh hƣởng quan trọng nhất của sóng hài bậc cao đó là việc làm tăng... hảo: tần số lọc đƣợc là cố định phụ thuộc vào thông số thiết bị đã thiết kế lắp đặt, tổn hao mất mát năng lƣợng nội bộ lớn Thông thƣờng các bộ lọc LC đƣợc thiết kế cho lọc các hài bậc thấp 3, 5, 7 để lại trên lƣới các các hài bậc cao mà trong nhiều trƣờng hợp các hài bậc cao trên 7 lại chiếm tỷ lệ đáng kể và tác hại của hài bậc cao đó cũng ảnh hƣởng rất lớn đến hoạt động của hệ thống điện gây ra nhiều... đang trong thời kỳ thực hiện cách mạng về hiện đại hóa và công nghiệp hóa theo xu hƣớng hội nhập quốc tế, quy mô các ngành công nghiệp ngày càng đƣợc mở rộng và đa dạng hóa về máy móc, thiết bị sản xuất Các nhà máy, xí nghiệp, liên doanh công nghiệp đã trở thành những khách hàng chính (gọi là phụ tải công nghiệp) tiêu thụ phần lớn lƣợng điện năng trong hệ thống điện Các hoạt động sản xuất của phụ tải công. .. đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến tính trong đƣờng cong B-H sẽ dẫn đến dòng điện từ bị méo và có chứa các sóng hài bậc cao 2 Động cơ Các sóng hài bậc cao đƣợc phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi biến dạng từ trƣờng, sự bão hòa trong các mạch chính và do các dây... Các thiết bị hồ quang 14 Các thiết bị thƣờng gặp trong hệ thống điện là các lò hồ quang công nghiệp Theo thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng hài bậc cao đầu ra biến thiên rất lớn ví dụ nhƣ sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời gian tinh luyện 1.1.3 Ảnh hƣởng của sóng hài bậc cao Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh. .. động của quá trình sản xuất và tiêu thụ điện; Mô tả khái quát các mô hình lọc sóng hài Đặc biệt chỉ ra các ƣu điểm của bộ lọc tích cực và tiềm năng của nó Trong tƣơng lai, lọc tích cực sẽ đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi bởi một số lý do chính sau đây: - Các nguồn phát sinh sóng hài là không thể tránh khỏi, thậm chí ngày càng nhiều ít nhất là trong nhiều năm nữa, khi mà các tiến bộ về bộ biến đổi công. .. động của AF song song Dòng điện tải có thể đƣợc khai triển thành tổng của một thành phần dòng điện cơ bản và một thành phần sóng điều hòa (chứa các hài bậc cao) theo biểu thức sau: iload i load ,1 i load ,h AF đo đƣợc và bơm lên lƣới một sóng điều hòa tƣơng ứng: iAF i load ,h Kết quả, các sóng hài do tải gây nên đã đƣợc AF loại khử hết Hay hiểu một cách khác là: tại điểm kết nối lƣới, các sóng hài do tải . NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ KIM DUNG Thiết kế lọc tích cực để khắc phục ảnh hưởng của sóng hài do các phụ tải công nghiệp gây ra trong lưới điện . hoàn thành đề tài: Thiết kế bộ lọc tích cực để khắc phục ảnh hưởng của sóng hài do các phụ tải công nghiệp gây ra trong lưới điện . Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học đã. 2.3. Kết luận. 26 Chƣơng 3: LỌC TÍCH CỰC VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP 27 3.1. Mô hình hệ thống 27 3.2. Tải phi tuyến 28 3.3. Lọc tích cực AF 31 3.4. Các