THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC DÙNG BỘ NGHỊCH LƯU 2 BẬC

Luận văn này nghiên cứu thiết kế và điều khiển bộ lọc công suất tích cực sử dụng bộ nghịch lưu hai bậc, để lọc thành phần hài bậc cao và bù công suất phản kháng trong lưới điện có tải phi tuyến. Bộ nghịch lưu hai bậc được chọn bởi các ưu điểm như hoạt động tốt ở công suất trung bình và nhỏ. Quá trình được điều khiển vòng kín sử dụng lý thuyết công suất tức thời. Kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm MatlabSimulink và thực nghiệm cùng card điều khiển TMS320F28335 được trình bày để minh chứng cho các nghiên cứu lý thuyết.

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này nghiên cứu thiết kế và điều khiển bộ lọc công suất tích cực sử dụng

bộ nghịch lưu hai bậc, để lọc thành phần hài bậc cao và bù công suất phản kháng trong lưới điện có tải phi tuyến Bộ nghịch lưu hai bậc được chọn bởi các ưu điểm như hoạt động tốt ở công suất trung bình và nhỏ Quá trình được điều khiển vòng kín sử dụng lý thuyết công suất tức thời Kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink và thực nghiệm cùng card điều khiển TMS320F28335 được trình bày để minh chứng cho các nghiên cứu lý thuyết

ABSTRACT

This thesis concerns the control of an active power filter (APF), based on a two-level inverter for harmonic and reactive power compensation in three-wire power network with nonlinear loads The two-level topology, suitable for slow/medium power applications The control process was conducted in a closed-loop manner adopting the instantaneous power theory for the active power filter current references injection Simulation using Matlab/Simulink software and experiment results using TMS320F28335 control card are provided to verify the theoretical study

MỤC LỤC

LỜI CAM KẾT Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined

TÓM TẮT LUẬN VĂN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH vii

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Lý do chọn đề tài: 1

1.2 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 1

1.2.1 Ảnh hưởng của s ng hài và bù c ng suất phản kháng 1

1.2.1.1 Ảnh hưởng của sóng hài 1

1.2.1.2 Bù công suất phản kháng 4

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch lọc tích cực (active power Filter – APF) 5

1.2.3 Phân loại mạch lọc tích cực 6

1.2.4 Phương pháp xác định dòng bù cho mạch lọc tích cực 9

1.2.2.3.1 Phương pháp xác định dòng bù trên miền tần số 9

1.2.2.3.2 Phương pháp xác định dòng bù trên miền thời gian 9

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 12

1.4 Mục tiêu của đề tài 13

Chương 2: BỘ NGHỊCH LƯU 2 BẬC V CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 14

2.1 Giới thiệu chung về bộ nghịch lưu hai bậc 15

2.2 Cấu trúc điều khiển mạch lọc tích cực dùng bộ nghịch lưu hai bậc 17

2.2.1 Phương pháp vòng hở 17

2.2.2 Phương pháp vòng kín 18

2.3 Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu hai bậc 19

2.3.1 Phương pháp điều chế sóng mang (CBPWM) 20

2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) 22

2.3.2.1 Giới thiệu chung 22

2.3.2.2 Sơ đồ sắp xếp các vector V0 -> V7 trên trục Va; Vb; Vc 24

2.3.2.3 Giới thiệu vector V ref  26

2.3.2.4 Cách tính toán thời gian để tạo ra vector V ref  26

2.3.2.5 Giản đồ đ ng ngắt các kh a để tạo ra Vector V ref  trong từng sector 29

2.4 Phương pháp điều khiển dòng 32

2.4.1 Phương pháp điều khiển dòng hysteresis 32

2.4.2 Phương pháp điều khiển dòng PI 33

2.4.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PI cơ bản 33

2.4.2.2 Điều khiển dòng PI cho bộ nghịch lưu ba pha 33

2.4.3 Phương pháp điều khiển dòng Deadbeat 37

2.4.3.1 Hệ tọa độ dq 37

2.4.3.2 Điều khiển dòng deadbeat 38

Chương 3: LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI 40

3.1 Phép biến đổi Clarke 41

3.2 Lý thuyết công suất tức thời trong hệ ba pha ba dây 44

3.3 Ứng dụng lý thuyết p-q vào bộ lọc tích cực song song 48

Chương 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 51

4.1 Thiết kế mô hình 51

4.2 Bộ điều khiển 51

4.3 Mạch công suất 52

4.3.1 Board mạch công suất 52

4.3.2 Mạch lái MOSFET 52

4.3.3 Mạch công suất nghịch lưu 54

4.4 Mạch cảm biến dòng 55

4.5 Mạch cảm biến áp 56

4.6 Các phần tử khác trên mô hình 57

4.6.1 Biến áp nguồn 57

4.6.2 Tải phi tuyến 57

4.6.3 Cuộn kháng lọc dòng nghịch lưu 57

4.6.4 Tụ DC 58

4.7 Giải thuật điều khiển hoàn chỉnh 58

4.7.1 Giải thuật tính dòng cần bù 58

4.7.2 Giải thuật điều khiển dòng hysteresis 59

Chương 5: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 60

5.1 Mô phỏng 60

5.1.1 Mô phỏng khi bộ lọc chưa tác động 63

5.1.2 Mô phỏng khi c tác động bộ lọc 66

5.2 Thực nghiệm 68

Chương 6: ĐÁNH GIÁ V HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70

6.1 Một số kết quả thực nghiệm APF trên thế giới 70

6.2 Đánh giá về các kết quả đạt được 72

6.3 Hướng phát triển 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

Phụ lục A: GIỚI THIỆU DSP TMS320F28335 75

Phụ lục B: CODE ĐIỀU KHIỂN APF 87

Phụ lục C: TIÊU CHUẨN IEEE std 519 98

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

THD Total harmonic distortion

IEEE Institute of electrical and Electronics Engineers

CSPK Công suất phản kháng

APF Active power Filter

UPQC Unified Power Quality Controller

VSI Bộ nghịch lưu nguồn áp

CSI Bộ nghịch lưu nguồn dòng

DFT Discrete Fourier Transform

FFT Fast Fourier Transform

RDFT Recursive Discrete Fourier Transform

SVPWM Space vector PWM

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Cấu hình bộ lọc và phù hợp với ứng dụng 14 Bảng 2.1: Thời gian chuyển mạch các kh a bán d n của các sector 31

DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 1.01: Thành phần cơ bản và các hài 1

Hình 1.02: Phổ của sóng hài 2

Hình 1.03: Nguyên lý mạch lọc tích cực …5

Hình 1.04: Các đại lượng dòng nguồn, dòng tải và dòng cần bù của mạch lọc 5

Hình 1.05: Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI 6

Hình 1.06: Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI 6

Hình 1.07: Cấu hình mạch lọc tích cực song song (shunt APF) 7

Hình 1.08: Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp ((Series APF) 7

Hình 1.09: Cấu hình bộ lọc kết hợp (UPQC ) 8

Hình 1.10 : Cấu hình mạch lọc hổn hợp (hybrid) 9

Hình 1.11: Thuật toán xác định toàn bộ dòng bù trong hệ dq 10

Hình 1.12: Thuật toán lựa chọn s ng điều hòa cần bù trong hệ dq 11

mạch1.13: Hình ảnh mạch lọc tích cực APF 2000 của hãng Delta 13

Hình 2.01: Bộ nghịch lưu hai bậc và nguồn điện lưới AC 15

Hình 2.02: Giản đồ vectơ bộ nghịch lưu 16

Hình 2.03: (a) Khi IL trùng Us (b) Khi IL ngược với Us 17

Hình 2.04: (a) Cấu trúc điều khiển vòng hở , (b) Sơ đồ mạch tương đương 18

Hình 2.05: (a) Cấu trúc điều khiển vòng hở , (b) sơ đồ mạch tương đương 19

Hình 2.06: Tín hiệu sóng mang và s ng điều khiển của phương pháp CBPWM 20

Hình 2.07: Nguyên lý phương pháp điều chế CBPWM 21

Hình 2.08: pham vi điều khiển tuyến tính khi khi ma ≤ 1 22

Hình 2.09: Sơ đồ nguyên lý đồ bộ nghịch lưu 3 pha 23

Hình 2.10: Trạng thái đ ng ngắt các khóa bộ nghịch lưu 24

Hình 2.11: Bộ nghịch lưu ở trạng thái V1 25

Hình 2.12 : V7 & V0 25

Hình 2.13: Các vector cơ sở và các sector và V ref  trên hệ trục α –β 26

Hình 2.14: Một phần sáu hình lục giác trong phư ơng pháp SVPWM 27

Hình 2.15: Hình mẩu xung chuyển mạch cho mỗi sector 30

Hình 2.16: Thời gian chuyển mạch các kh a bán dần của các sector 31

Hình 2.17: Điều khiển dòng hysteresis cho bộ nghịch lưu hai bậc 32

Hình 2.18 Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện bằng phương pháp hysteresis 32

Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển pi 33

Hình 2.20: Bộ nghịch lưu ba pha đơn giản hóa 35

Hình 2.21: Sơ đồ bộ điều khiển dòng PI trong hệ tọa độ αβ 36

Hình 2.22: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq 37

Hình 2.23: Bộ quan sát trạng thái 39

Hình 3.01: Vector áp, dòng phức trong hệ tọa độ αβ 43

Hình 3.02: Ý nghĩa vật lý của công suất tức thời thực và ảo 47

Hình 3.03: Nguồn ba pha cân bằng và tải phi tuyến cầu diode 48

Hình 3.04: Công suất tức thời của hệ thống tải phi tuyến (a) p và (b) q 48

Hình 3.05: Bộ lọc tích cực song song 49

Hình 3.06: Tính dòng cần bù dựa theo lý thuyết p-q 50

Hình 4.01: Sơ đồ khối thực nghiệm bộ lọc tích cực hoàn chỉnh 51

Hình 4.02: Hình ảnh board điều khiển dùng dsp TMS320F28335 52

Hình 4.03: Hình ảnh board công suất của bộ lọc tích cực 52

Hình 4.04: Mạch lái MOSFET dùng IC IR 2110S 53

Hình 4.05: Hinh ảnh IC IR2110S 53

Hình 4.06: Sơ đồ mạch nội IC IR2110S 54

Hình 4.07: Ký hiệu, Thông số, Hình ảnh của MOSFET IRF640S 55

Hình 4.08: Mạch cảm biến dòng dùng IC ACS712-5 55

Hình 4.09: Mạch cảm biến áp dùng IC AMC1200 56

Hình 4.10: Hình ảnh IC AMC1200 56

Hình 4.11: Tải phi tuyến 57

Hình 4.12: Cuộn kháng lọc dòng 58

Hình 4.13: Giải thuật chi tiết tính dòng cần bù 59

Hình 4.14: Giải thuật điều khiển dòng hysteresis chi tiết 60

Hình 5.01: Sơ đồ mô phỏng APF 61

Hình 5.02: Sơ đồ mô phỏng khối Nonlinear load 62

Hình 5.03: Sơ đồ mô phỏng khối PQ & I – compensation Calc 62

Hình 5.04: Sơ đồ mô phỏng khối Hysteresis controler 63

Hình 5.05: Áp nguồn ba pha khi kh ng lọc 63

Hình 5.06: Dòng nguồn ba pha khi kh ng lọc 63

Hình 5.07: Pha a khi kh ng lọc : (a) Áp nguồn; (b) Dòng nguồn; (c) Dòng tải 64

Hình 5.08: Phân tích FFT dòng nguồn khi kh ng lọc, THD = 28.38 % 64

Hình 5.09: Tỉ lệ của biên độ hài bậc cao so với hài cơ bản In/I1 khi chƣa lọc 65

Hình 5.10: Các đại lƣợng công suất nguồn khi bộ lọc chƣa tác động 65

Hình 5.11: Áp nguồn ba pha khi đƣợc lọc 66

Hình 5.12: Dòng nguồn ba pha khi đƣợc lọc 66

Hình 5.13: Pha a khi lọc: (a) Áp nguồn (b) Dòng nguồn (c) Dòng tải (d) Dòng lọc 66

Hình 5.14: Phân tích FFT dòng nguồn khi đƣợc lọc , THD = 2.31% 67

Hình 5.15: Tỉ lệ của biên độ hài bậc cao so với hài cơ bản In/I1 khi đƣợc lọc 67

Hình 5.16 : Các đại lƣợng công suất nguồn sau khi bộ lọc tác động 68

Hình 5.17: Dạng s ng pha A khi kh ng lọc (a) áp nguồn; (b) dòng nguồn 69

Hình 5.18: Dạng s ng pha A khi đƣợc lọc (a) áp nguồn; (b) dòng nguồn 69

Hình 6.01: Kết quả của Lucian Asiminoaei [7] 71

Hình 6.02: Kết của của K Nishida [15] 71

Hình 6.03: Kết của của Luigi Malesani [16] 72

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Lý do chọn đề tài:

Trên lưới điện truyền tải hiện nay có rất nhiều phần tử phi tuyến, d n tới làm xuất hiện các thành phần sóng hài Các thành phần sóng hài này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện năng

Do đ để nâng cao chất lượng điện năng thì ta phải giới hạn được sóng hài trên lưới theo các tiêu chuẩn tiêu chuẩn IEEE std 519, việc tuân theo các tiêu chuẩn này là bắt buộc để đảm bảo chất lượng điện năng

Có nhiều giải pháp khác nhau để hạn chế sóng hài trên lưới, một trong số đ là sử dụng bộ lọc tích cực dựa trên các linh kiện bán dẩn Vì vậy, t i đã lựa chọn đề tài là

“Thiết kế bộ lọc tích cực dùng bộ nghịch lưu 2 bậc lọc sóng sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng”

1.2 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

1.2.1 Ảnh hưởng của sóng hài và bù công suất phản kháng

1.2.1.1 Ảnh hưởng của sóng hài

Sóng hài có thể coi như là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản

Hình 1.01: Thành phần cơ bản và các hài

Sử dụng chuỗi Furier với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) hay ω=2πf (rad/s)

có thể biểu diễn một sóng hài f (t) với biểu thức sau:

1 1

0 1

n n

n

F F

t

Trong đ :

) sin(

) cos(

) sin(

) sin(

) cos(

) cos(

)

) sin(

n: bậc hài, với n = 1 là hài cơ bản

F0 : là giá trị DC của hàm sóng hài f(t)

Fn: biên độ đỉnh của s ng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier

θn : là giá trị góc pha của s ng điều hòa bậc n

Phổ của s ng hài được thể hiện theo hình (1.02)

Hình 1.02: Phổ của sóng hài

 Hệ số méo dạng tổng do sóng hài (total harmonic distortion - THD):

THD là tham số quan trọng nhất dùng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng hài lên lưới điện

Để đáng giá độ méo dòng điện và điện áp ta dựa hệ số méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp:

 Hệ số méo dạng dòng điện

 

  1 2 2

I(1) là biên độ dòng điện thành phần hài cơ bản

I(n) là biên độ dòng điện thành phần hài bậc n

 Hệ số méo dạng điện áp

 

  1 2 2

U(1) là biên độ điện áp thành phần hài cơ bản

U(n) là biên độ điện áp thành phần hài bậc n

 Các nguồn tạo sóng hài

Sóng hài đƣợc tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến, một số nguồn tạo sóng hài phổ biến trong công nghiệp:

Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải ta lại quan tâm đến sự sụt áp trên đường dây ở những nơi xa nguồn cung cấp, ta c c ng thức:

U

QX U

PR U

QX PR



Ta thấy rằng phần tổn hao điện áp do 2 thành phần tạo ra Thành phần do c ng suất tác dụng thì ta kh ng thể giảm, nhưng thành phần do c ng suất phản kháng thì ta hoàn toàn c thể giảm được

Để tải hoạt động tốt thì c ng suất tác dụng và c ng suất phản kháng cần phải đáp ứng đủ Vì vậy để tránh truyền tải một lượng công suất phản kháng lớn mà tải vẩn hoạt động tốt, người ta đặt gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh công suất phản kháng để cung cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện như vậy gọi là bù công suất phản kháng(CSPK)

1.2.2 Ngu n ý ho t đ ng của ch lọc tích cực (active power Filter – APF)

Mạch lọc tích cực được giới thiệu lần đầu tiên năm 1976 bởi L Gyugyi và E.C Strycula Ngày nay, mạch lọc tích cực không còn là một ước muốn mà đã trở thành hiện thực, rất nhiều dạng mạch lọc tích cực đã được nghiên cứu và thương mại hóa trên toàn thế giới

Như đã trình bày ở phân trên, khi một tải phi tuyến được nối với nguồn (một pha hoặc ba pha), sẽ tạo ra một dòng điện phi tuyến không sin, dòng này kết hợp với trở kháng nguồn sẽ làm méo dạng áp nguồn, giảm chất lượng điện áp

Hình 1.03: Nguyên lý mạch lọc tích cực

Hình 1.04: Các đại lượng dòng nguồn, dòng tải và dòng cần bù của mạch lọc

Tác dụng của mạch lọc tích cực là cung cấp một dòng điện vào hệ thống, mục tiêu

là duy trì dòng nguồn hình sin, triệt tiêu các thành phần sóng hài không mong muốn, bên cạnh đ , mạch lọc tích cực còn có tác dụng nâng hệ số công suất của mạch ba pha

Đặc điểm cấu trúc mạch lọc CSI là có tần số đ ng cắt hạn chế, tổn hao đ ng cắt lớn, không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc

 Phân loại theo cấu trúc kết nối: mạch lọc tích cực song song (Shunt APF hoặc Parallel APF) hoặc kết hợp (unified APF or universal APF), mạch lọc tích cực nối tiếp (Series APF), ngoài ra còn có cấu hình lai (hybrid) giữa mạch lọc tích cực và mạch lọc thụ động

 Mạch lọc tích cực song song (Shunt APF):

Hình 1.07: Cấu hình mạch lọc tích cực song song (shunt APF) Các phần tử trên sơ đồ: Tải phi tuyến có thể là cầu chỉnh lưu diode hoặc thyristor Dòng đầu vào tải phi tuyến I LN bao gồm nhiều thành phần bậc cao Nếu dòng ra I F của

bộ AF cũng sinh ra các bậc cao như vậy nhưng ngược pha thì dòng ở phía lưới I L sẽ chỉ còn chứa thành phần sóng sin bậc nhất Như vậy đặc điểm của mạch lọc tích cực song song: bù s ng điều hòa dòng điện, bù CSPK

 Bộ lọc tích cực nối tiếp ((Series APF) :

Hình 1.08: Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp ((Series APF)

Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp như hình (1.09) Trên một đường dây nối giữa

2 bus hệ thống c điện áp UL và ULN Phía bus ULN có thể có một hay nhiều phụ tải phi tuyến làm cho ULN chứa nhiều thành phần sóng bậc cao Bộ lọc nối tiếp bao gồm một chỉnh lưu tích cực, cung cấp thành phần một chiều cho một bộ nghịch lưu, đầu ra nghịch lưu th ng qua một máy biến áp đưa ra điện áp UF , mắc nối tiếp giữa hai bus hệ thống Do

đ c thể hiệu chỉnh giá trị, g c pha cũng như thành phần song hài của điện áp UF sao cho ngược pha với các tác động gây nhiễu của điện áp ULN mà các sóng bậc cao sẽ không ảnh hưởng được sang bus hệ thống UL

 Mạch lọc kết hợp (UPQC ): Khi kết hợp mạch lọc tích cực song song (Shunt APF ) và mạch lọc tích cực nối tiếp ( Series APF ) ta được mạch lọc kết hợp UPQC (Unified Power Quality Conditioner) kết hợp được cả tính năng của 2 mạch lọc trên

Trong bộ lọc kết hợp (UPQC), bộ lọc tích cực nối tiếp có chức năng cách ly s ng hài giữa tải và nguồn, điều chỉnh điện áp, giảm dao động giữ điện áp cân bằng Bộ lọc tích cực song song có chức năng lọc s ng điều hòa Tuy nhiên giá thành đắt và điều khiển phức tạp

Hình 1.09 : Cấu hình bộ lọc kết hợp (UPQC )

 Mạch lọc hổn hợp (hybrid) : Thực chất là sự kết hợp của mạch lọc chủ động và mạch lọc thụ động

Hình 1.10: Cấu hình mạch lọc hổn hợp (hybrid) Mục đích là giảm chi phí đầu tư ban đầu và cải thiện hiệu quả của bộ lọc thụ động

Bộ lọc thụ động sẽ lọc những s ng điều hòa mà bộ lọc chủ động không lọc được hoặc lọc một cách kh khăn Chính vì thế thông số chỉ tiêu của bộ lọc chủ động sẽ không cần quá cao qua đ giảm được chi phí

1.2.4 Phương pháp xác định dòng bù cho m ch lọc tích cực

1.2.2.3.1 Phương pháp xác định dòng bù trên miền tần số

Phương pháp này dựa trên phân tích Furier Là phương pháp biến đổi cho các tín hiệu rời rạc, kết quả của phép phân tích đưa ra cả biên độ và pha của thành phần sóng điều hòa mong muốn Mỗi thành phần điều hòa được xác định từ đ tổng hợp lại trong miền thời gian để tạo tín hiệu bù cho bộ điều khiển.Trong lớp phương pháp này c 3 phương pháp chính là:

 Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform)

 Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform)

 Phương pháp RDFT (Recursive Discrete Fourier Transform)

Ưu điểm của phương pháp này là có thể tác động tới từng thành phần sóng điều hòa theo ý muốn nhưng có khối lượng tính toán rất lớn

1.2.2.3.2 Phương pháp xác định dòng bù trên miền thời gian

Phương pháp này c ưu điểm hơn là khối lượng tính toán ít hơn so với phương pháp dựa trên miền tần số Theo lớp phương pháp này c 2 số phương pháp chính sau:

 Phương pháp dòng bù dựa trên khung tọa đ dq

Theo phương pháp này c thể xác định toàn bộ dòng bù hoặc có thể lựa chọn từng thành phần s ng điều hòa cần bù

 Phương pháp xác định toàn bộ dòng bù:Phương pháp này dựa trên khung tọa độ dq để tách thành phần s ng điều hòa bậc cao ra khỏi thành phần s ng cơ bản

Hình 1.11: Thuật toán xác định toàn bộ dòng bù trong hệ dq

Phép quay khung tọa độ dq quay với góc quay của tần số cơ bản Khi đ trong

khung tọa độ dq thành phần dòng với tần số cơ bản coi như thành phần dòng một chiều

và thành phần s ng điều hòa như thành phần dòng xoay chiều Sau đ sử dụng bộ lọc thông cao tách ra thành phần xoay chiều, thành phần này chính là thành phần của các

s ng điều hòa bậc cao

 Phương pháp xác định từng thành phần s ng điều hòa cần bù: phương pháp này dựa trên cơ sở phép quay khung tọa độ Điểm khác biệt so với phương pháp trên là từ dòng cần tách ra s ng điều hòa sẽ chuyển sang khung tọa độ dq với góc quay bằng bội số lần của góc quay thành phần cơ bản, khi đ trong khung tọa độ mới dq thành phần một chiều tương ứng với thành phần s ng điều hòa cần tách và bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp ta có thể tách ra được thành phần một chiều này Sau đ chuyển sang khung tọa độ abc sẽ xác định được thành phần s ng điều hòa tương ứng Như vậy bằng phép quay khung tọa độ với góc quay ứng với mỗi thành phần s ng điều hòa

Ưu điểm của phương pháp này là c thể tác động tới từng thành phần sóng điều hòa bậc cao muốn lọc

Hình 1.12 Thuật toán lựa chọn s ng điều hòa cần bù trong hệ dq

 Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q

Thuyết p-q hay thuyết công suất tức thời được đưa ra bởi Akagi vào năm 1983 với mục đích là để điều khiển mạch lọc tích cực, có thể ứng dụng vào hệ thống ba pha ba dây hoặc ba pha bốn dây.Nội dung của phương pháp này sẽ được trình bày rõ ở chương 3

1.2.3 Ứng dụng của ch ọc t ch cực trong thực tế

Mạch lọc tích cực được sử dụng để cải thiện chất lượng điện năng của các mạng điện

hạ áp ,trung áp, cao áp dùng để cung cấp điện cho các khu c ng nghiệp; cho các khu dân

cư, bệnh viện … đặc biệt thường được dùng trong mạng điện cung cấp cho các nhà máy luyện kim, nhà máy xi mạ tĩnh điện Đây là nguồn sinh ra rất nhiều s ng hài bậc cao , nếu

ta kh ng sử dụng mạch lọc thì c ng suất của lưới điện cung cấp sẽ mất ổn định ; Phá hủy cách điện của máy biến áp, làm cho biến áp nhanh hư hỏng

Có nhiều cách thức khác nhau để thiết kế một bộ lọc tích cực, tùy thuộc vào yêu cầu kinh tế kỹ thuật mà lựa chọn thiết bị và phương pháp phù hợp

Trong đề tài này ta nghiên cứu về mạch lọc tích cực với chức năng lọc sóng hài và

bù CSPK dùng thiết bị điện tử công suất

Hình 1.13: Hình ảnh mạch lọc tích cực APF 2000 của hãng Delta

1.2.3 Các bài báo i n quan đến đề tài

- Bộ lọc tích cực sử dụng bộ nghịch lưu 2 bậc và kỹ thuật điều khiển dòng PI của Lucian Asiminoaei [7]

- Bộ lọc tích cực sử dụng bộ sử dụng bộ nghịch lưu hai bậc với kỹ thuật điều khiển hysteresis của Luigi Malesani [16]

1.3 Ph m vi nghiên cứu của đề tài

Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trong các vấn

- Thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm của bộ lọc tích cực: Tính dòng bù dùng

lý thuyết (p-q); sử dụng phương pháp điều khiển dòng hysteresis; mạch nghịch lưu 2 bậc dùng kh a đ ng ngắt MOSFET IR640S và bộ điều khiển DSP TMS320F28335 của Texas Instrument

- Đánh giá, so sánh, nhận xét các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đạt được

1.4 Mục ti u của đề tài

Bộ lọc tích cực phải thực hiện tốt việc lọc dòng và bù công suất phản kháng cho

hệ thống ba pha ba dây:

- Dòng nguồn đạt dạng gần sin, độ méo hài THD < 5%

- Hệ số công suất ≈ 1 (áp nguồn và dòng nguồn gần nhƣ cùng pha)

- Công suất hoạt động < 200 VA

Bảng 1, là một bảng tổng kết ngắn về cách lựa chọn cấu hình bộ lọc sao cho phù hợp với từng ứng dụng cụ thể

Ứng dụng

Bộ lọc tích cực

Active series Active shunt

Hybrid of active series and passive shunt

Hybrid of active series and active shunt

2.1 Giới thiệu chung về b nghịch ưu hai bậc

Bộ nghịch lưu là thiết bị công suất dùng để chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, có rất nhiều cấu hình cho bộ nghịch lưu, trong đ cấu hình được sử dụng thông dụng nhất là bộ nghịch lưu hai bậc (Hình 2.01)

Ưu điểm của bộ nghịch lưu hai bậc là điều khiển đơn giản, phù hợp với rất nhiều ứng dụng có công suất thấp (dưới 100KVA) chủ yếu như các khu dân, cho các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất nhỏ và vừa

Tuy nhiên bộ nghịch lưu hai bậc có khuyết điểm là gây ra sóng hài bậc cao, đồng thời do hạn chế về các giá trị của dòng và áp định mức của linh kiện nên không phù hợp với các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao (trên 10MVA)

Hình 2.01: Bộ nghịch lưu hai bậc và nguồn điện lưới AC

Ta có sơ đồ tương đương của một pha như sau:

C S

u dt

di L Ri u

u u u

uC Từ việc điều khiển được u1 ta sẽ điều khiển được dòng điện iL chạy trên đường dây

Hình 2.02: Giản đồ vectơ bộ nghịch lưu

Khi điều khiển iL trùng Us hoặc ngược với Us thì cos=1 thể hiện dưới đồ thị vectơ như sau:

Hình 2.03: (a) Khi IL trùng Us (b) Khi IL ngược với Us

Khi iL trùng với us thì công suất truyền từ lưới về tải, khi iL ngược với u sthì công suất truyền từ tải ra lưới và như vậy công suất có thể truyền theo hai chiều từ lưới về tải

và từ tải về lưới

Như vậy ta có thể sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp VSI và tụ C để thực hiện chức năng của mạch lọc tích cực với cùng thuật toán điều khiển như bộ lọc tích cực

2.2 Cấu trúc điều khiển m ch lọc tích cực dùng b nghịch ưu hai bậc

C hai phương pháp chính để lọc s ng điều hòa bậc cao tùy thuộc vào cách mà dòng điện được đo Hai cách này c cấu trúc điều khiển khác nhau do đ sẽ có một số đặc điểm khác nhau

2.2.1 Phương pháp vòng hở

Phương pháp này dựa trên việc đo thành phần dòng điện phía tải từ đ tách ra thành phần s ng điều hòa chứa trong dòng tải

(a)

(b)

Hình 2.04: (a) Cấu trúc điều khiển vòng hở , (b) Sơ đồ mạch tương đương

G : là hàm truyền đạt của bộ lọc

Theo phương pháp này thì không có thông tin phản hồi về dòng điên trên lưới Tất

cả sai lệch trong hệ thống cả trong quá trình đo và điều khiển sẽ gây ra các s ng điều hòa trên dòng điện lưới, các thành phần này là kh ng xác định Cấu trúc điều khiển này c ưu điểm là ổn định nhưng yêu cầu số cảm biến đo dòng nhiều

(b)

Hình 2.05: (a) Cấu trúc điều khiển vòng hở , (b) sơ đồ mạch tương đương

Theo phương pháp điều khiển vòng kín sẽ có thêm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện lưới bên ngoài mạch vòng điều chỉnh dòng tải Phương pháp này c ưu điểm là thuật toán điều khiển đơn giản hơn so với cấu trúc vòng hở và yêu cầu số cảm biến đo dòng ít hơn

2.3 Phương pháp điều khiển b nghịch ưu hai bậc

Cấu hình bộ nghịch lưu hai bậc nói chung sử dụng thích hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC Mạch nguồn DC được phân chia thành các cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện DC mắc nối tiếp

Bộ nghịch lưu hai bậc dùng 6 khóa bán d n , bằng cách kích đ ng – ngắt các linh

kiện mỗi điện áp ngõ ra v a , v b , v c có thể đạt được các giá trị sau:

;0

2

0

;1

2

' '

x x

DC

x x

DC xo

S S

V

S S

V V

c b a

x , ,

Do V x0 có thể đạt được hai nấc giá trị khác nhau nên đây được gọi là bộ nghịch lưu hai bậc

Cần lưu ý quy tắc kích đối nghịch như sau : S x S x' 1

C hai phương pháp thường dùng để điều khiển bộ nghịch lưu hai bậc là phương phương

pháp điều chế sóng mang (CBPWM) và pháp điều chế vector không gian (SVPWM)

2.3.1 Phương pháp điều chế sóng ang (CBPWM)

Để thực hiện giản đồ đ ng kích các linh kiện trong cùng một pha tải, ta so sánh

một tín hiệu điều khiển với song mang dạng tam giác Các sóng mang có tần số fc, biên độ đỉnh – đỉnh Ac S ng điều khiển c biên độ đỉnh – đỉnh Am và tần số fm, có dạng

áp thay đổi xung quanh trục tâm của song mang Nếu s ng điều khiển của pha nào lớn hơn s ng mang thì linh kiện tương ứng với s ng điều khiển của pha đ sẽ được kích

đ ng, ngược lại, linh kiện trên sẽ bị khóa

Hình 2.06: Tín hiệu s ng mang và s ng điều khiển của phương pháp CBPWM

Để đơn giản mạch kích ta có thể sử dụng một s ng điều khiển duy nhất để kích

đ ng, ví dụ: công tắc(Sa )được kích đ ng theo quan hệ giữa s ng điều khiển và song mang, còn công tắc ( '

reference m a

U

U m





Nếu ma ≤ 1 (biên độ tín hiệu điều chế nhỏ hơn biên độ sóng mang) thí quan hệ giữa thành phần cơ bản của điện áp ra và áp điều khiển là tuyến tính

Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha, biên độ áp pha hài cơ bản:

2

*

) 1 (

DC a m t

U m

Như vậy áp nghịch lưu trung bình thay đổi tỉ lệ thuận với áp điều khiển

Phương pháp điều chế thể hiện rõ hơn ở Hình (2.07)

xa,b,c

Hình 2.07: Nguyên lý phương pháp điều chế CBPWM

Các linh kiện được kích đ ng – ngắt theo quy tắc sau:

reference

carrier x

reference x

U U

U U

Trong phương pháp CBPWM chỉ số điều chế đạt được chỉ số lớn nhất trong vùng tuyến tính khi biên độ s ng điều chế bằng với biên độ s ng mang Tỉ số điều chế biện độ lúc này là:

reference m a

U

U m

 Biên độ áp pha hài cơ bản:

2 2

*

) 1 (

DC DC

a m t

U U

2

_ ) 1 (

) 1 (

m t

U

U U

U m

Hình 2.08: pham vi điều khiển tuyến tính khi khi ma ≤ 1

Để mở rông phạm vi điều khiển tuyến tính, ta sử dung phương pháp điều chế độ rông xung cải biên, chi tiết có thể tham khảo tại [1]

2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)

2.3.2.1 Giới thiệu chung

phương pháp điều chế vector không gian xuất phát từ các ứng dụng của vector

kh ng gian trong máy điện xoay chiều, sau đ được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha

Hình (2.09) là sơ đồ nguyên lý của bộ nghịch lưu sử dụng 6 khóa transitor công suất.

Hình 2.09: Sơ đồ nguyên lý đồ bộ nghịch lưu 3 pha

Đối với phương pháp điều rộng xung dùng phương pháp điều chế vector không gian, bộ nghịch lưu được xem như là một khối duy nhất với 8 trạng thái đ ng ngắt riêng biệt từ 0 đến 7

Bảng tóm tắt 8 trạng thái các kh a và điện áp ngõ ra tương ứng:

Hình 2.10: Trạng thái đ ng ngắt các khóa bộ nghịch lưu

2.3.2.2 Sơ đồ sắp xếp các vector V 0 -> V 7 tr n trục Va; Vb; Vc

Khái niệm vector không gian và phép biến hình vector kh ng gian: cho đại lượng

ba pha tức thời v a , v b , v c cân bằng, ta có v a + v b + v c = 0, phép biến hình từ các đại lương

ba pha tức thời sang đại lượng v theo hệ thức:

1

)

(

3 / 2

2

j e

a

v a v a v k v

j

c b

a

Được gọi là phép biến hình vector kh ng gian, đại lượng v được gọi là vector không gian của đại lượng ba pha

Chọn

3

2



k , ta có phép biến hình không bảo toàn công suất

+ Ta xét trường hợp bộ nghịch lưu ở trạng thái đầu V1

Hình 2.11: Bộ nghịch lưu ở trạng thái V1

Ta có: Ra ≈Rb≈Rc => Va= 2/3 Vdc ; Vb=Vc= -1/3 Vdc

Áp dụng công thức (2.01) ta có :

Vdc j

Vdc j

Vdc Vdc

v a v a v

3 2

1 (

* 3

1 ) 2

3 2

1 (

* 3

1 3

2 3

2 )

+ Cách tính tương tự như vậy với các vector V2-> V6

+ Ngoài ra , chúng ta còn 2 trường hợp đặc biệt là vector V0 =V7= 0

Hình 2.12 : V7 & V0 Sau khi tín toán các giá trị, ta có giản đồ của các vector và các sector như hình (2.13)

2.3.2.3 Giới thiệu vector V ref



Ý tưởng của việc điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục

của vector kh ng gian tương đương của vector điện áp bộ nghịch lưu trên quỹ đạo đường

tròn, tương tự như trường hợp của vector không gian của đại lượng 3 pha hình sin tạo được Với sự dịch chuyển của đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo tròn các sóng hài bậc cao được loại bỏ và biên độ áp ra trở nên tuyến tính

Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy m u Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp

Hình 2.13: Các vector cơ sở và các sector và V ref



trên hệ trục α –β Vector V ref



liên quan đến các trạng thái khóa transtior trong bộ nghịch lưu

nguồn áp VSI ( Voltage Source Inverter) Trong phương pháp SVPWM thì VSI được

đ ng ngắt ở tần số rất lớn (FPWM) FPWM quyết định thời gian lấy m u Ts cho vector V ref

3

2

1 ,V ,V ,V ,V ,V ,V ,V ,V

2.3.2.4 Cách tính toán thời gian để tạo ra vector V ref

Xét góc phần 6 thứ nhất của hình lục giác tạo thành bởi đỉnh của ba vector

Hình 2.14: Một phần sáu hình lục giác trong phương pháp SVPWM

Giả sử trong thời gian lấy mẩu Ts , ta cho thời gian tác dụng vector 1



v trong thời gian T1, thời gian tác dụng vector 2



v trong thời gian T2 và vector 0



v tác dụng trong thời còn lại (Ts-T1-T2) Vector tương đương được tính như sau :

7 0 2

0

1 0

.

1v T v T

) 3 cos(

3

2 0

1 3

2 )

sin(

) cos(

) sin(

.

.

) 3 cos(

)

T

T T a

v a

3 2

) sin(

.

a T

.)3sin(

)sin(

)cos(

.)3cos(

.)cos(

).

sin(

) 3 sin(

) cos(

) 3

)3

sin(

Như vậy trong khoản thời gian lấy m u Ts, thời gian tồn tại của các trạng thái T1;

T2; T0/7 dựa vào tỉ số a và góc pha θ của V ref

 ( hay nói cách khác là dựa vào độ lớn và vị trí của V ref

- Ph vi điều khiển tu ến t nh của SVPWM:

Ta có biên độ thành phần cơ bản điện áp pha tải :

3

) 1 (

DC m t

V

Chỉ số điều chế tương ứng sẽ là:

907 0 3 2

2.3.2.5 Giản đồ đóng ngắt các khóa để t o ra Vector V ref

;,3)1cos(

3)1sin(

3)1sin(

3)1cos(

V i

i

i i

(a) Sector 1 (b) Sector 2

(c) Sector 3 (d) Sector 4

(e) Sector 5 (f) Sector 6

Hình 2.15:Hình mẩu xung chuyển mạch cho mỗi sector

Nhƣ vậy, thời gian chuyển mạch các khóa bán dẩn trong một chu kỳ lấy mẩu TS của các sector đƣợc tóm tắt theo bảng sau :

Sector Khóa bán dẩn Sa, Sb, Sc Khóa bán dẩn S’a, S’b, S’c

1 Sa = T1+T2+T0/2

Sb = T2+T0/2

Sc = T0/2

S’a = T0/2 S’b = T1+T0/2 S’c = T1+T2+T0/2

2 Sa = T1+T0/2

Sb = T1+T2+T0/2

Sc = T0/2

S’a = T2 +T0/2 S’b = T0/2 S’c = T1+T2+T0/2

3 Sa = T0/2

Sb = T1+T2+T0/2

Sc = T2 +T0/2

S’a = T1+ T2 +T0/2 S’b = T0/2

5 Sa = T2 +T0/2

Sb = T0/2

Sc = T1+T2+T0/2

S’a = T1 +T0/2 S’b = T1+ T2 +T0/2 S’c = T0/2

6 Sa = T1+T2+T0/2

Sb = T0/2

Sc = T1+T0/2

S’a = T0/2 S’b = T1+ T2 +T0/2 S’c = T2 +T0/2

Hình 2.16: Thời gian chuyển mạch các khóa bán dần của các sector

Các bước thực hiện phương pháp SVPWM như sau:

Bước 1: Xác định V,V,V ref và góc ()

Bước 2: Xác định T1,T2,T0

Bước 3: Xác định thời gian chuyển mạch của mổi khóa