Đang tải... (xem toàn văn)
Nhằm nâng cao chất lượng điện năng, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm sóng hài trên lưới điện, ta có thể sử dụng các bộ lọc thụ động (PF) hay tích cực (AF). Trong đó, các bộ lọc PF được sử dụng để lọc một số thành phần sóng hài cụ thể nào đó, đồng thời tham gia bù công suất phản kháng, góp phần nâng cao hệ số công suất (cosφ) của lưới điện. Bộ lọc AF được sử dụng để loại trừ tất cả các sóng hài khác không bị tác động bởi PF do hạn chế về không gian lắp đặt và vấn đề cộng hưởng. Việc kết hợp giữa bộ lọc PF và AF sẽ tạo thành bộ lọc dạng lai (HAF).
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) PHÂN TÍCH MƠ, PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC DẠNG LAI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ANALYSIS AND MODELLING OF HYBRID ACTIVE FILTERS IN DISTRIBUTION POWER NETWORKS TO IMPROVE POWER QUALITY Nguyễn Phúc Huy, Đặng Việt Hùng Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Nhằm nâng cao chất lượng điện năng, đặc biệt vấn đề nhiễm sóng hài lưới điện, ta sử dụng lọc thụ động (PF) hay tích cực (AF) Trong đó, lọc PF sử dụng để lọc số thành phần sóng hài cụ thể đó, đồng thời tham gia bù cơng suất phản kháng, góp phần nâng cao hệ số cơng suất (cosφ) lưới điện Bộ lọc AF sử dụng để loại trừ tất sóng hài khác không bị tác động PF hạn chế không gian lắp đặt vấn đề cộng hưởng Việc kết hợp lọc PF AF tạo thành lọc dạng lai (HAF) Sử dụng lọc dạng lai phù hợp với lưới điện phân phối cấp điện áp trung áp cho phụ tải phi tuyến cơng suất lớn Khi chọn cơng suất máy biến áp công suất biến đổi AF nhỏ Bài báo thực việc mơ hình hóa mơ lọc dạng lai sử dụng lưới trung áp, ứng dụng lý thuyết tập mờ cho điều khiển AF Kết cho thấy lọc dạng lai với điều khiển logic mờ giúp triệt tiêu sóng hài đảm bảo giới hạn cho phép, đồng thời góp phần bù cơng suất phản kháng, nâng cao cosφ Từ khóa: Sóng hài, lọc thụ động, lọc tích cực, lọc dạng lai, logic mờ Abstract:4 To improve power quality, a Passive Filter (PF) is combined with an Active Filter (AF) to create a new configuration of hybrid active filter (HAF) The PF not only mitigates one or more specific harmonics injecting to power networks caused by nonlinear power loads but also compensates reactive power to improve power factor (cosφ) Meanwhile, the AF is used to eliminate other harmonics not tuned because of restriction in site for the PF and danger of harmonic resonance This HAF configuration is corresponding to electric power distribution networks with large nonlinear power loads Consequently, the connected transformer and converter could be reduced in size A model is set up to simulate this issue with the use of a fuzzy logic based controller for the AF The simulation result shows that the proposed HAF coincide with solving the power quality problem in electric power distribution networks, controlling harmonic levels in acceptable ranges, and compensating reactive power to improve cosφ as well Keywords: Harmonic, passive filter, active filter, hybrid active filter, fuzzy logic theory Ngày nhận bài: 14/8/2017, ngày chấp nhận đăng: 20/9/2017, phản biện: TS Nguyễn Tùng Lâm Số 13 tháng 11-2017 35 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐẶT VẤN ĐỀ Phụ tải phi tuyến kết nối vào lưới điện sinh sóng hài làm suy giảm chất lượng điện lưới điện Các lọc thụ động nối song song (PFsh) sử dụng để loại bỏ thành phần sóng hài khơng mong muốn, bù lượng cơng suất phản kháng theo yêu cầu [1-5] So với PFsh, lọc tích cực (AF) sử dụng biến đổi điện tử cơng suất có ưu điểm loại trừ thành phần hài xuất điểm đấu nối, nhiên lọc AF thường có giá thành đắt vận hành phức tạp lọc PF Sự kết hợp hai loại bù nghiên cứu nhiên qui mô công suất thường nhỏ cấp điện áp thấp [4-7] Với mục tiêu áp dụng cho lưới điện phân phối trung áp có phụ tải lớn, báo tập trung nghiên cứu kết hợp PFsh lọc tích cực song song (AFsh) tạo thành lọc tích cực dạng lai song song (HAFsh) So với lưới hạ áp, lưới trung áp ảnh hưởng lớn tới hiệu lọc lọc Mạch lọc AFsh kết nối với lưới điện qua máy biến áp có cuộn dây đấu tam giác để hạn chế lan truyền sóng hài bậc hai phía Bộ điều khiển sử dụng lý thuyết logic mờ, sở để nghiên cứu mở rộng phương pháp điều khiển mới, đại sau BỘ LỌC TÍCH CỰC DẠNG LAI 2.1 Cấu hình Cấu hình tên gọi lọc dạng lai phụ thuộc vào đấu nối lọc với phụ tải Hai cấu hình thường dùng cấu hình lọc song song với phụ 36 tải: nối tiếp AF & PFsh (gọi dạng lai nối tiếp - HAFss), hình 1a, song song AFsh& PFsh (gọi dạng lai song song HAFsh), hình 1b (a) HAFss (b) HAFsh Hình 1.Sơ đồ thay tƣơng đƣơng lọc Trong hình: ush ish điện áp dòng điện hài nguồn; Zsh ZFh tổng trở hài lƣới điện AFsh; uAFh điện áp hài từ AFsh; iLh iAFh dòng điện hài tải AFsh; iPFh dòng điện hài qua lọc thụ động Bộ lọc tích cực dạng lai song song (HAFsh) sử dụng để loại trừ sóng hài dòng điện từ phía tải trở lưới Ta coi PFsh phụ tải phi tuyến thành phần riêng, dó AFsh bù thành phần hài thành phần với hệ số khuếch đại k Thành phần hài dòng điện nguồn xác định được: ish 1 k ush iLh Z Fh 1 k Z sh Z Fh (1) Số 13 tháng 11-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Có thể thấy |1-k|0 ish0, tức tiến hành bù dòng điện hài phụ tải hệ thống 2.2 Cấu trúc điều khiển Với cấu trên, HAFsh hoạt động ngun lí điều khiển dòng điện AFsh Hệ thống điều khiển gồm hai khâu mạch tạo dòng bù hài tham chiếu mạch phát dòng điện bù Trong mạch tạo dòng tham chiếu có chức chủ yếu đưa thành phần hài cần bù từ tín hiệu dòng điểm tải kết nối, sử dụng lọc thông dải kết hợp lọc thơng thấp hình Mạch phát dòng điện bù có tác dụng tạo dòng bù thực tế phù hợp với tín hiệu dòng bù hài tham chiếu có từ mạch tạo dòng ~~ is iL BPF iAF Tải phi tuyến LPF - + Bộ điều khiển logic mờ bao gồm khâu chính: mờ hóa, sở tri thức, chế suy luận giải mờ (hình 3) Trong đó, sở tri thức bao gồm sở liệu luật mờ, sở liệu cung cấp thông tin cần thiết cho q trình mờ hóa, chế suy luận giải mờ Luật mờ bao gồm quy tắc ngôn ngữ nhằm tạo biến đầu mong muốn Cơ sở tri thức Cơ sở liệu Đầu vào Mờ hóa Luật mờ Cơ chế suy luận Giải mờ Đầu Hình Sơ đồ khối chức điều khiển logic mờ TÍNH TỐN THƠNG SỐ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Hình thể lưới điện phân phối có U=22 kV, f=50 Hz, với công suất ngắn mạch hệ thống điểm đấu 500 MVA LPF AF PWM Bộ điều khiển Hình Cấu trúc điều khiển AFsh Mơ hình đề xuất sử dụng điều khiển logic mờ ưu điểm điều khiển khơng cần mơ hình tốn học xác, nhiều trường hợp mơ hình tốn học đơi khó xác định Ngồi ra, điều khiển logic mờ làm việc với đầu vào chưa xác định, xử lý hiệu với toán phi tuyến Số 13 tháng 11-2017 ~ Tải phi tuyến Hình Sơ đồ khối mơ hình HTĐ mơ Mơ hình nguồn điện mơ phỏng: nguồn tương đương Thevenin mạch LLR có góc tổng trởbằng 800 tần số tần số hài bậc 37 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Phụ tải: mô có số liệu bảng với hai mức cơng suất khác nhau, cơng suất biểu kiến tải phi tuyến hợp véc-tơ thành phần công suất tác dụng (P), phản khảng (QH), công suất phụ thêm thành phần hài gây (DH) Bảng Thơng số phụ tải mơ hình Mức tải Mức tải (100% tải) Im1 (A) 510,48 826,68 Im5 (%Im1) 7,6293 8,5816 Im7 (%Im1) 5,0611 5,3442 Im11 (%Im1) 2,6605 2,2208 Im13 (%Im1) 1,9760 1,4106 S(MVA) 13,723 21,652 P (MW) 10,376 16,982 QH (MVAr) 3,992 13,223 DH (MVAD) 0,68 2,365 cosφ 0,7561 0,7843 THDi (%) 9,7204 10,5096 U dc 1,3 2, 45 U s QPF (4) đó, Us điện áp pha nguồn điểm đấu; ΔUdc=5%Udc độ biến thiên điện áp DC; Sn công suất biểu kiến lọc; tần số góc lưới điện; Giá trị điện cảm AC biến đổi giảm nhỏ để đảm bảo tốc độ bám theo thay đổi dòng điện, phải đủ lớn để giảm thiểu xuất sóng hài bậc cao tần số xung tam giác PWM: Lf U f Us (5) 4 f c đó, Uf điện áp đầu nghịch lưu; , f c biên độ tần số xung tam giác; (2) Với yêu cầu bù để cosφ=0,93 ta lựa chọn công suất bù tương ứng với hai mức tải từ bảng MVAr MVAr Bộ lọc tích cực (AFsh): bao gồm biến đối nguồn áp nối vào lưới điện qua máy 38 (3) Sn C U dc U dc 2 Bộ lọc thụ động bậc (PFsh): tác dụng loại trừ thành phần sóng hài bậc (h=5) làm nhiệm vụ bù công suất phản kháng cho phụ tải Công suất phản kháng phát lọc là: h2 C fh U s21 h 1 biến áp có cuộn tam giác phía lưới điện Điện áp DC biến đổi, tụ điện DC kháng điện AC (tức điện kháng MBA) cần chọn để dòng điện iAF lọc tích cực phải đáp ứng tốc độ bám theo dòng điện cần bù Muốn dung lượng AFsh phải thỏa mãn dung lượng cần bù, tốc độ biến thiên dòng điện đầu AF (diAF/dt) phải lớn tốc độ biến thiên dòng hài lớn [1] Bộ điều khiển AFsh: Bài báo sử dụng điều khiển logic mờ với hai đầu vào sai lệch e=iL.ref-iAF đạo hàm sai lệch de/dt Thực mờ hóa với biến ngơn ngữ: A (âm), K (không), D (dương), AN (âm nhiều), DN (dương nhiều) Miền giá trị biến đầu vào sai lệch Số 13 tháng 11-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng Bảng ma trận lựa chọn mờ e={-10÷ +10} ={AKD}; miền giá trị biến đầu vào thể tốc độ biến thiên sai lệch de = {-1e5 ÷ +1e5} ={AKD}; miền giá trị biến đầu u={-1 ÷ +1}={AN A K D DN} Bien (A) Bien (A) Luật mờ điều khiển biến đầu xây dựng theo nguyên tắc với hàm thuộc bảng 1,000 -1,000 e AND de/dt A K D A AN D DN K AN K DN D AN A DN (a) Dong dien phu tai 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Thoi gian(s) (b) Dong dien nguon 0.7 0.8 0.9 0.1 0.2 0.3 0.4 0.7 0.8 0.9 4000 -4000 0.5 0.6 Thoi gian(s) Hình Dòng điện tải (a) dòng điện nguồn (b) KẾT QUẢ Kết dạng sóng dòng điện tải dòng điện nguồn tới tồn thời gian mơ quan sát hình 5, giá trị cosφ thay đổi hình độ méo giảm xuống nhiên vượt mức qui định cho phép 5% [8] AFsh đưa vào để loại trừ sóng hài lại hệ tải phi tuyến+PFsh, giảm THDi giá trị cho phép, đồng thời nâng cao hệ số cơng suất cosφ (hình 6) Pho hai Inguon, THD=9.7202 (%) Do lon (%) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 Thoi gian, s 0.8 0 Số 13 tháng 11-2017 10 Bac hai 15 20 Hình Dòng điện nguồn chƣa lọc mức tải Hình Hệ số công suất tổ hợp tải phi tuyến+PFsh Pho hai Inguon, THD=6.2835 (%) Do lon (%) Khi chưa có lọc tác động, dạng sóng phổ hài dòng điện phía nguồn ứng với mức tải hình Sau lọc bậc đưa vào (hình 8) tổng 0 10 Bac hai 15 20 Hình Dòng điện nguồn có PFsh mức tải 39 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Kết mô cho tất trường hợp quan sát bảng Pho hai Inguon, THD=2.0033 (%) Do lon (%) Hình cho ta thấy tổng độ méo sóng hài dòng điện nguồn giảm thấp, toàn thành phần hài có giá trị nhỏ sau đóng tồn thiết bị bù tích cực dạng lai 0.5 0 10 Bac hai 15 20 Hình Phổ hài dòng điện nguồn tác động toàn HAFsh mức tải Bảng Các thành phần hài dòng điện nguồn trƣờng hợp (%) Mức tải 2Mức tải 1Mức tải 1Mức tải 1Mức tải 2Không lọc, Lọc PFsh, Lọc HAFsh, Lọc PFsh, Không lọc, THD=9,72% THD=6,28% THD=1,96% THD=10,51% THD=5,17% DC Mức tải 2Lọc HAFsh, THD=2% 0,00 0,29 0,04 0,01 0,00 0,03 100 100 100 100 100 100 0,00 0,30 0,05 0,00 0,01 0,03 7,51 2,25 1,01 8,58 0,96 1,16 5,02 4,41 0,26 5,34 4,26 0,50 0,00 0,17 0,03 0,00 0,00 0,01 11 2,61 2,60 0,74 2,22 2,12 0,95 13 1,92 1,95 0,29 1,41 1,40 0,49 17 1,04 1,16 0,56 0,66 0,64 0,63 19 0,76 0,86 0,19 0,55 0,51 0,31 st KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình lọc sóng hài dạng lai áp dụng cho lưới phân phối Với cấu hình song song HAFsh tải lựa chọn, kết phân tích mơ cho thấy lọc đáp ứng yêu cầu lọc sóng hài nâng cao hệ số cosφ Với mức tải THD giảm từ 9,72% xuống 1,96% từ 10,51% xuống mức 2% mức tải Ngoài ra, giải pháp HAFsh cho lưới phân phối hoàn toàn phù hợp 40 phụ tải có AFsh, lưới điện xuất thành phần sóng hài lan truyền việc lắp bổ sung PFsh phù hợp (vì AFsh trường hợp chặn sóng hài từ tải vào lưới) PHỤ LỤC Thông số mạch tương đương LLR hệ thống: Ls 2,276 mH , L 1,140 mH , R 0,5061 Thông số mạch AFsh: Udc=14,19(kV); Số 13 tháng 11-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Cdc=2,48.10-4(F); Cf5 (μF) Lf5 (mH) Rf5 (Ω) Lf = 0,087(H) Mức tải 31,578 12,8 0,504 Thông số mạch PFsh: Mức tải 44,195 9,2 0,3601 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jiang Zheng Rong, From Passive to Active Harmonic and Reactive Power Control (in Chinese), China Machine Press, 2014 [2] Xiao Xiang Ning, Power quality - Analysis and Control (in Chinese), China Electric Power Press, 2010 [3] Enrique Acha, Power Systems Harmonics - Computer Modelling and Analysis, John Wiley & Sons, 2001 [4] Retes S.Herrera, Patricio Salmeron, Instanteneous Reactive Power Theory: A reference in the Nonlinear Loads Compensation, IEEE transaction on industrial electronics, Vol.56, No.6, pp 2015-2022, June 2009 [5] Corasaniti, V F., Hybrid Active Filter for Reactive and Harmonics Compensation in a Distribution Network, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 56, No.3, pp 670-677, 2009 [6] Tsengenes Georgios, Adamidis Georgios, Shunt active power filter control using Fuzzy logic controllers, IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), pp 365-371, 2011 [7] Mohammed Qasim, Application of Neural Networks for Shunt Active Power Filter Control, IEEE transactions on industrial informatics, Vol.10, No.3, pp 1765-1774, August 2014 [8] IEEE Std 519-2014, IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electric power systems, IEEE Press, 2014: 1-29 Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp Đại học Thạc sĩ trường Đại học Bách khoa Hà nội vào năm 2003 2010 Năm 2015 nhận Tiến sĩ Hệ thống điện tự động hóa Trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, Trung Quốc Hiện tác giả công tác Trường Đại học Điện lực Hướng nghiên cứu chính: Chất lượng điện năng, Ứng dụng điện tử công suất, Độ tin cậy hệ thống điện Tác giả Đặng Việt Hùng tốt nghiệp Đại học Thạc sĩ trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2002 2004 Năm 2010 nhận Tiến sĩ Kỹ thuật điện trường École Centrale de Lyon (CH Pháp) , tham gia nghiên cứu sau tiến sĩ (postdoctorat) Lab Ampere (Lyon, CH Pháp) từ 2011 đến 2012 Hiện tác giả công tác Khoa Kỹ thuật điện - Trường Đại học Điện lực Hướng nghiên cứu chính: Chất lượng điện năng, vật liệu điện, ứng dụng điện tử công suất Số 13 tháng 11-2017 41 ... hợp PFsh lọc tích cực song song (AFsh) tạo thành lọc tích cực dạng lai song song (HAFsh) So với lưới hạ áp, lưới trung áp ảnh hưởng lớn tới hiệu lọc lọc Mạch lọc AFsh kết nối với lưới điện qua... xây dựng mơ hình lọc sóng hài dạng lai áp dụng cho lưới phân phối Với cấu hình song song HAFsh tải lựa chọn, kết phân tích mơ cho thấy lọc đáp ứng yêu cầu lọc sóng hài nâng cao hệ số cosφ Với... đƣơng lọc Trong hình: ush ish điện áp dòng điện hài nguồn; Zsh ZFh tổng trở hài lƣới điện AFsh; uAFh điện áp hài từ AFsh; iLh iAFh dòng điện hài tải AFsh; iPFh dòng điện hài qua lọc thụ động Bộ lọc