tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu bù CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO lưới CUNG cấp và PHÂN PHỐI điện

Trong điều kiện vận hành,truyền tải điện năng, do trên lưới có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiệncác thành phần sóng điều hòa bậc cao.. Giải pháp để hạn chế sóng điều hòa bậc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-PHẠM THỊ THU THỦY

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO

LƯỚI CUNG CẤP VÀ PHÂN PHỐI ĐIỆN

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện

Mã số : 60.52.50

THÁI NGUYÊN - 2013

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp

Thái Nguyên

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng caohọc số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 15 giờ 30 phút ngày 24 tháng 01 năm 2013

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên

và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Điện năng cung cấp cho phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng

mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo Trong điều kiện vận hành,truyền tải điện năng, do trên lưới có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiệncác thành phần sóng điều hòa bậc cao Các thành phần sóng điều hòa bậc cao nàygây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số côngsuất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện năng Giải pháp để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải phápkhác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc tích cực và bù công suất phảnkháng Bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng dựa trên thiết bị điện tử công

suất và điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau

Trong thời gian qua đã có một số công trình nghiên cứu về phương pháp sửdụng bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng lưới điện cung cấp cho các phụ tải, và

đã có những kết quả nhất định Trong khuôn khổ đề tài này, tác giả đưa ra thuậttoán thiết kế dựa trên lý thuyết p-q để thiết kế tích hợp bộ lọc tích cực có bù côngsuất phản kháng nhằm đánh giá tính khả thi của việc áp dụng phương pháp này đểcải thiện chất lượng của hệ thống lưới điện Sau đó được kiểm tra tính đúng đắncủa các thuật toán trên hệ thống mô phỏng Matlab/Simulink

Nội dung của đề tài được chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về sóng điều hòa và bù công suất lên lưới

Chương 2: Lọc sóng điều hòa bậc cao và bù công suất lên lưới

Chương 3: Thiết kế bộ lọc tích cực cho tải phi tuyến của lưới điện phân phối.Chương 4: Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống

Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều

sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thày, các Cô trong suốt quá trìnhgiảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệpThái Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy PGS - TS.Nguyễn Như Hiển trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ BÙ CÔNG SUẤT LÊN LƯỚI 1.1.Đặt vấn đề:

Sự tồn tại của các sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống điện gây ra hiện tượng:quá áp, méo điện áp lưới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụtải, giảm chất lượng điện năng và gián đoạn cung cấp điện

Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao ra khỏi hệthống điện Các thiết bị được sử dụng để loại bỏ sóng điều hòa bậc cao gọi là các bộlọc

1.2 Tổng quan về sóng điều hòa

Sóng chu kỳ không sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng điều hoà

mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản

Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thànhcác thành phần thứ tự thuận, nghịch và không

Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện nên cầnphải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao lớn hơn mức độ cho phép

Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan trọng

nhất dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao

2 2 1

n n

X THD

n n

I THD

* Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp,

* Giới hạn về thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp

Điện áp tại điểm nối

chung

Nhiễu điện áp từng loại sóng điều

hòa(%)=

Nhiễu điện áp tổng cộng các loại sóng điều hòa THD (%)

 Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên

 h: Bậc của sóng điều hòa

13 2,0 29 0,7

1.2.2 Một số nguồn tạo sóng điều hòa bậc cao trong công nghiệp:

- Các thiết bị điện tử công suất - Máy biến áp

- Động cơ - Đèn huỳnh quang

- Các thiết bị hồ quang

1.3 Tổng quan về công suất phản kháng:

1.3.1 Khái quát chung:

Biểu thức tính hệ số công suất được xác định:

* Phương án nâng cao hệ số PF tự nhiên

* Phương án nâng cao hệ số PF nhân tạo

1.3.3 Hiệu quả của việc nâng cao hệ số công suất:

- Giảm tổn thất công suất trên lưới điện

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

1.4 Kết luận chương 1

- Chương I đã nghiên cứu tìm hiểu được nguyên nhân, tác động của sóngđiều hoà bậc cao trên lưới điện, từ đó tìm giải pháp lọc các thanh phần điều hòabậc cao và bù công suất phản kháng

CHƯƠNG 2 LỌC SÓNG ĐIỀU HOÀ BẬC CAO VÀ BÙ CÔNG SUẤT LÊN LƯỚI 2.1 Bộ lọc sóng điều hòa bậc cao

b Bù sóng điều hòa bậc cao điện áp:

c Bù sóng điều hòa bậc cao dòng điện:

2.1.2.2 Giới hạn công suất của bộ lọc tích cực:

a Các ứng dụng phạm vi công suất thấp (<100kVA): Chủ yếu phục vụ các

khu dân cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất vừa

b Các ứng dụng phạm vi công suất trung bình (100kVA -> 10MVA): Các

mạng cung cấp điện trung và cao áp và các hệ thống truyền động điện công suấtlớn mắc vào nguồn áp lớn

c Các ứng dụng phạm vi công suất lớn và rất lớn:

Dãy công suất rất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền động

2.2 Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực

2.2.1 Phân loại theo sơ đồ

2.2.1.1 Bộ lọc tích cực song song

2.2.1.2 Bộ lọc tích cực nối tiếp

Hình 2.8: Bộ lọc tích cực song song

Tải phi tuyến

Bộ lọc tích cực

Nguồn cấp

Hình 2.10: Bộ lọc tích cực nối

Tải phi tuyến Lọc chủ động

AF n

Nguồn điện

Tải phi tuyến Lọc thụ động Lọc chủ động AF S

Nguồn điện

+ Bộ bù đồng tĩnh nối tiếp (SSSC: Static Synchronous Series Controllers)

+ Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC: Thyristor Controlled Series Compensation)

Hình 2.19: Cấu trúc SSSC

Hình 2.20: Cấu trúc TCSC

Hình 2.21: Cấu trúc SVC

+ Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc song song (Statcom: Static Synchronous Compensator )

XL

I

US

Ui

θS

θiδjββ

α

US

Ui

0

s i s

L s

* Khi US = Ui thì QS = 0 bộ bù không phát hay thu CSPK

* Khi US > Ui thì QS > 0 tồn tại thành phần điện áp USi tương ứng dòng cảmkháng Id chậm sau US, Ui một góc 900, lưới sẽ truyền CSPK vào bộ bù

* Khi US < Ui thì QS <0 tồn tại thành phần điện áp USi tương ứng dòng điện Icvượt trước US , Ui một góc 900 bộ bù phát CSPK lên lưới điện

2.6 Kết luận chương 2

Chương 2 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Đã tìm hiểu và nghiên cứu được các bộ lọc sóng điều hoà bậc cao

- Nghiên cứu các phương pháp bù công suất phản kháng lên lưới nhằm nângcao hệ số công suất và đánh giá được ưu nhược điểm của các phương pháp đó

- Từ đó lựa chọn phương pháp lọc tích cực để thiết kế hệ thống bù công suấtphản kháng cho lưới phân phối và cung cấp điện

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO TẢI PHI TUYẾN CỦA

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 3.1 Đặt vấn đề

Nội dung trình bày trong chương này sẽ giải quyết các vấn đề sau:

- Xây dựng thuật toán thiết kế bộ lọc tích cực

- Xây dựng mô hình tải phi tuyến

- Xây dựng cấu trúc bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q

3.2 Lý thuyết về phương pháp lọc tích cực.

3.2.1 Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền tần số

Xây dựng bộ lọc tích cực dựa trên miền tần số chủ yếu dựa vào việc phân tíchchuỗi Fourier Tách thành phần sóng cơ bản Sau đó tính dòng bù cho các thànhphần sóng còn lại

3.2.1.1 Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform)

Thuật toán của phương pháp này là biến đổi cho các tín hiệu rời rạc, kết quảcủa phép phân tích đưa ra cả biên độ và pha của thành phần sóng điều hoà mongmuốn theo công thức sau:

hi hr

Xarctan

3.2.1.2 Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform)

- Lấy mẫu dòng điện tải và tính toán biên độ và pha của từng thành phần sóngđiều hoà

- Số lượng mấu trong một chu kỳ càng lớn thì giá trị fmax càng lớn

- Tách thành phần dòng cơ bản từ dòng đầu vào

- Tổng hợp dòng bù từ các thành phần sóng điều hoà

3.2.2 Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian

3.2.2.1 Phương pháp xác định dòng bù trong hệ dq

Biến đổi từ hệ dq sang hệ abc như sau:

a d

b q

abc

PLL

θ θ

- θ

u a

abc

LPF Filtering

3.2.2.2 Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết pq

- Tính toán dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ αβ từ hệ tọa độ abc.

+ Với hệ thống 3 pha có dây trung tính.

+ Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính:

Hình 3.4: Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết pq.

1 11

u u

u u

i i

i i

* c

Từ công thức này, ta tính được dòng bù trong hệ tọa độ abc:

i i

+

-Chinh luu cau 3 pha co dieu khien

In1 Out2

Bo dieu khien

Hình 3.5: Tải phi tuyến

Hình 3.6: Thông số của bộ chỉnh lưu

Nguồn 3

pha

Bộ lọc tích cực

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc

S 1

3.4.1 Cấu trúc điều khiển

3.4.2 Khâu tạo xung SVM (Space vector modulation method) [1]

Bộ điều chế không gian vectơ SVM thực hiện các công việc sau:

* Xác định góc lệch pha  giữa 2 giá trị đầu vào U*  và U* 

* Xác định biên độ của điện áp chuẩn U*

* Xác định sectơ mà vectơ điện áp chuẩn nằm trong đó

* Xác định thời gian thực hiên các vectơ biên tt và tp

Giả sử ta phải thực hiện vector us bất kỳ như trong hình vector đó có thể nằmtrong góc phần sáu bất kỳ nào đó Giả sử us nằm ở S1, us có thể được tách thànhtổng của hai vector con up, us tựa theo hướng của hai vector chuẩn u1, u2 Các kýhiệu nhỏ bên phải được chỉ dẫn như sau:

p: vector bên phải.

t: vector bên trái.

Đo dòng điện tải, điện áp nguồn, dòng điện nguồn, điện áp tụ

Chuyển đổi trục tạo độ abc

Tính công suất p và q Lọc thành phần p cơ bản

Tính toán dòng bù Chuyển đổi trục tọa độ  abc

Hình 3.10: Lưu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý

thuyết p-q

u2  u1 u0

* Thuật toán điều chế vector không gian

Phương pháp xác định các vector biên phải, biên trái được tính trực tiếp từ u

0

Hình 3.12: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc

Công thức tổng quát sau:

Q1 Q2 Q3 Q4  < 0 ?  <

0 ?

 < 0 ?  < 0 ?

Sai Đúng Đúng Sai Sai Đúng Đúng Sai

S1 S2/Q1 S2/Q2 S3 S4 S5/Q3 S5/Q4 S6 Tính thời gian đóng ngắt van

Xuất số liệu về thời gian đóng ngắt van IGBT

Trong đó us,us là 2 thành phần điện áp đã được chuẩn hoá theo công thức :

32

s

mc

u u

s

mc

u u

U



3.5 Kết luận chương 3

Chương 3 đã giải quyết được các vấn đề sau:

- Đã đưa ra được thuật toán thiết kế bộ lọc tích cực

- Đề xuất mô hình tải phi tuyến tiêu thụ điện trong hệ thống lưới điện phânphối

- Đưa ra được cấu trúc điều khiển với phương pháp điều chế véc tơ khônggian trong hệ thống lưới điện phân phối sử dụng bộ lọc tích cực có bù công suấtphản kháng

CHƯƠNG 4

MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

1

4.1 Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [4]

4.1.1 Nguồn xoay chiều 3 pha

Nguồn xoay chiều 3 pha có giá trị hiệu dụng pha Up =220V, tần số

Mạch điều khiển:

Khâu chuyển toạ độ

1 gates

U,I1

Id,r Iq,r R_id R_iq Tinh dong

I_abc

V_abc

U_L theta IL_d*

IL_q*

Tinh bu PQ

theta Ud Uq Udc Enable gates

SVM

2.4 43

-K-theta I_anpha I_beta

6 Enable

5

I_AB_F

4 Udc

3 idc*

Khâu tính toán công suất pq:

1 P

4 I_beta

3 I_anpha

2 V_beta

1 V_anpha

Q P

Hình 4.6: Khâu tính công suất pq

Khâu tính chuyển toạ độ αβ sang abc:

Hình 4.9: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc

Khâu tạo xung cho bộ biến đổi:

Hình 4.8: Khâu tính toán dòng bù pq

Hình 4.10: Khâu chọn sectơ

Hình 4.11: Chọn các véc tơ

4.1.3 Khâu tính toán độ méo dạng (THD)

Hình 4.12: Khâu tính toán độ méo dạng

4.1.4 Khâu lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha

4.1.5 Khâu đo dòng điện, điện áp

Khau lay tin hieu dong, ap 3 pha

Hình 4.13: Khâu lấy tín hiệu

i +

-i_A

v + -

U_V

Hình 4.14: Khâu đo dòng điện, điện áp

4.3 Kết quả mô phỏng

4.3.1 Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực

- Dạng dòng điện của tải phi tuyến:

4.3.2 Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực

 Dòng điện nguồn 3 pha trước và sau khi bộ lọc tích cực tác động:

Hình 4.19: Dạng dòng điện 3 pha trước khi bộ lọc tác động

Hình 4.20: Dạng dòng điện 3 pha khi có bộ lọc tác động

Hình 4.21: Dạng dòng điện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác động

 Dòng điện nguồn pha A được duy trì dạng gần sin:

 Phân tích phổ dòng điện nguồn pha A khi đã có tác động của bộ lọc:

0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 -1500

Dap ung dong dien nguon khi co bo loc tac dong

Hình 4.22: Dạng dòng điện khi có bộ lọc tác động xét tại thời điểm từ

0,5 đến 0,6s

 Công suất phản kháng trước và sau khi bù.

 Hệ số công suất trước và sau khi bù

Hình 4.24: Công suất phản kháng của hệ thống

Hình 4.25: Hệ số công suất cosφ

4.4 Kết luận chương 4:

- Qua kết quả mô phỏng với hệ thống lưới phân phối điện cho phụ tải phituyến chưa sử dụng bộ lọc cho thấy nguồn điện có chất lượng kém thể hiện qua sựbiến dạng dòng điện nguồn cung cấp (hình 4.17) và cụ thể qua phân tích phổ (hình4.18)

- Khi có sự tác động của bộ lọc tích cực chất lượng của hệ thống cung cấpđiện đã được cải thiện đáng kể đó là sự biến dạng của dòng điện nguồn đã đượcgiảm (hình 4.20, 4.21 và 4.22) và cụ thể thể hiện qua phân tích phổ (hình 4.23).Ngoài ra hệ thống đã bù được công suất phản kháng để nâng cos từ 0,735 lên 1(hình 4.24 và hình 4.25)

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

- Đã xây dựng thành công phương pháp điều khiển hệ thống bù công suấtphản kháng cho lưới điện phân phối bằng bộ lọc tích cực và xây dựng thành công

mô hình mô phỏng của hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực trong Matlab/Simulink

- Kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng của hệ thống khi có bộ lọc tích cực

đã được cải thiện một cách đáng kể, cụ thể đã khảo sát đáp ứng của các đại lượngquan trọng: dòng điện nguồn khi bộ lọc tác động; công suất phản kháng Q củamạch lọc phát lên lưới và công suất phản kháng Q của nguồn dưới tác động bùcông suất của bộ lọc; hệ số công suất của nguồn dưới tác động của bộ lọc

- Với việc xây dựng thành công mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực trongmôi trường Simulink của Matlab, đây có thể nói là cơ sở để có thể triển khai xâydựng lắp đặt trong thực tế

Các vấn đề nêu trên cần phải có sự đầu tư nghiên cứu một cách chuyên sâu

để hoàn thiện và triển khai mô hình trong thực tế