Ngày nay, chất lượng điện năng được xem xét trên rất nhiều khía cạnh, trong đó có yêu cầu về độ méo dạng tín hiệu so với tín hiệu hình sin của dòng điện và điện áp theo thời gian trên lưới điện xoay chiều và nguồn gốc gây nên hiện tượng này được xác định do các sóng hài bậc cao gây ra. Bài viết giới thiệu một thuật toán điều khiển cho thiết bị lọc sóng hài tích cực song song để nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện.
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Các file thông tin mở phần mềm phổ biến đơn giản Office, Notepad, Wordpad, Từ file thông tin ta dễ dàng đối chiếu, so sánh khôi phục tồn liệu q trình đo Hình 11 Phổ âm dải tần 10Hz - 100kHz Hình 12 Phổ âm dải tần 500Hz - 10kHz Kết luận Nhóm tác giả đưa cấu hình phần cứng thiết bị đo âm xây dựng Bài báo giới thiệu kết lập trình code (trong Block Diagram) để tự động nhận dạng phần cứng tích hợp thiết bị xử lý tín hiệu âm đầu vào nhận từ Microphone phần mềm LabVIEW Phần mềm xây dựng có giao diện thuận tiện cho người dùng, có chức lưu trữ, in ấn, phân tích liệu, hiển thị kết mức độ âm phổ tần tín hiệu tương tứng với chế độ lựa chọn (trọng số A, B C) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Đức Lưu tác giả (2016) Cơ sở toán học truyền tin cho thiết kế thiết bị đo mức độ âm tàu thủy Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải số 48, 11/2016 [2] QCVN 80: 2014/BGTVT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia kiểm soát tiếng ồn tàu biển [3] IEC 61672-1 (2002-05) - Điện - Máy đo mức âm - Phần 1: Yêu cầu kỹ thuật (Electroacoustics - Sound level meters) [4] R Baranski, “Sound Level Meter as Software Application”, Acoustic and Biomedical Engineering, 2014 [5] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/209817 [6] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/212730 [7] Silviu Folea, “Practical Applications and Solutions Using LabVIEW”, InTech Press, 2011 [8] SVANTEK "SVAN 945 A User’s manual", 2008 Ngày nhận bài: Ngày phản biện: Ngày duyệt đăng: 26/12/2016 06/01/2017 16/01/2017 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ LỌC SĨNG HÀI TÍCH CỰC BUILDING CONTROL ALGORITHMS FOR ACTIVE HARMONIC FILTER ĐOÀN HỮU KHÁNH, HOÀNG ĐỨC TUẤN Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Ngày nay, chất lượng điện xem xét nhiều khía cạnh, có u cầu độ méo dạng tín hiệu so với tín hiệu hình sin dòng điện điện áp theo thời gian lưới điện xoay chiều nguồn gốc gây nên tượng xác định sóng hài bậc cao gây Bài báo giới thiệu thuật toán điều khiển cho thiết bị lọc sóng hài tích cực song song để nâng cao chất lượng điện hệ thống điện Từ khóa: Chất lượng điện năng, lưới điện xoay chiều, sóng hài, lọc tích cực song song Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 37 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Abstract Today, power quality was considered on many aspects, including the requirements for signal distortion with the sinusoidalsignal of the electric current and voltage over time on the AC grid and the cause of this phenomenon is determined by the harmonics This paper presents a control algorithm for shunt active harmonic filters to improve power quality in electric power system Keywords: Power quality, AC grid, harmonic, shunt active harmonic filters Giới thiệu Chất lượng điện vấn đề mang tính thời từ khoảng hai thập niên qua ngày quan tâm nhiều Ngày nay, chất lượng điện xem xét nhiều khía cạnh, có u cầu độ méo dạng tín hiệu so với tín hiệu hình sin dòng điện điện áp [1, 5] Nguồn gốc gây nên tượng méo dạng tín hiệu xác định sóng hài bậc cao gây nên Trên thực tế, có số thuật tốn xây dựng cho lọc tích cực sử dụng phép phân tích Fourier, phép phân tích yêu cầu khối lượng tính tốn lớn, lý thuyết cơng suất tức thời p-q, lý thuyết cơng suất tức thời lấy tín hiệu điện áp lưới nên chịu ảnh hưởng nhiễu sóng hài điện áp sử dụng hệ tọa độ d-q,… hầu hết cơng trình nghiên cứu nước nghiên cứu lọc tích cực dừng lại việc giới thiệu hệ tọa độ d-q phần lớn tập trung nghiên cứu, mô thuật tốn cho lọc tích cực sử dụng lý thuyết công suất tức thời p-q Bài báo đề cập đến việc xây dựng mơ thuật tốn điều khiển cho lọc tích cực sử dụng hệ tọa độ d-q, kết nghiên cứu cho thấy thuật toán tỏ hiệu so sánh với thuật tốn sử dụng lý thuyết cơng suất tức thời p-q Thuật tốn này, đóng góp thêm phương án xem xét chế tạo lọc tích cực cho nhà sản xuất nước tiến trình nội địa hóa sản phẩm Ngun nhân ảnh hưởng sóng hài hệ thống điện Sóng hài định nghĩa điện áp hay dòng điện hình sin có tần số bội số tần số sinh ra, diện phụ tải phi tuyến lưới điện Mức độ méo sóng sóng hài dòng điện điện áp phân tích phép phân tích Fourier: m(t) M0 Ym.n sin(2 nf1t n ) (1) n 1 Trong đó: f1=50 (Hz) 60 (Hz) tần số lưới điện; M0 thành phần chiều; Ym.n biên độ tín hiệu sóng hài bậc n; n góc pha đầu sóng hài bậc n Như vậy, số bậc sóng hài thể tần số, bậc 50(Hz) bậc 150(Hz), bậc 250(Hz),… 2.1 Các nguyên nhân gây sóng hài hệ thống điện - Sóng hài sinh thiết bị điện tử điện tử công suất - Các nguồn xung: Sạc máy tính, sạc điện thoại, máy in - Các cầu chỉnh lưu ba pha: Các biến tần, nguồn UPS - Sóng hài sinh lò hồ quang - Sóng hài sinh thiết bị có lõi từ: Máy biến áp, động điện, máy phát điện… 2.2 Ảnh hưởng sóng hài hệ thống điện Sóng hài sinh phụ tải phi tuyến, gây ảnh hưởng định cho phụ tải khác [3] Dưới số ảnh hưởng sóng hài hệ thống điện kể đến: - Ảnh hưởng tới động máy phát: Sóng hài gây phát nóng làm ảnh hưởng xấu đến cách điện cuộn dây gây tượng dao động mômen với động - Ảnh hưởng tới máy biến áp: Làm tăng tổn hao nhiệt cuộn dây, làm già hoá cách điện,… - Ảnh hưởng tới tụ: Có thể gây phóng điện gây nguy hiểm cho tụ - Ảnh hưởng tới nghịch lưu thiết bị điện tử - Ảnh hưởng tới thiết bị đo: Có thể gây sai số cho phép đo - Ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ rơle: Ảnh hưởng đến hoạt động xác rơle - Ảnh hưởng tới dây pha dây trung tính: Gây phát nóng q mức với dây cáp Biện pháp hạn chế sóng hài Trên thực tế có hai phương pháp sử dụng để giảm thiểu sóng hài hệ thống điện là: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 38 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 - Giảm thiểu sóng hài nguồn sinh chúng (loại trừ trước chúng xâm nhập vào lưới điện) Các kiểu thường gặp phương pháp kể đến như: sử dụng mạch chỉnh lưu nhiều xung; sử dụng cuộn kháng nối tiếp với tải phi tuyến; sử dụng biến áp cách ly - Sử dụng lọc thụ động lọc chủ động Các lọc thụ động làm việc theo nguyên lý cộng hưởng nối tiếp, bao gồm cuộn kháng mắc nối tiếp với tụ điện chỉnh định với dải tần số muốn lọc, lọc thường sử dụng để lọc sóng hài bậc bậc Trong đó, lọc tích cực thực bơm lên lưới điện dòng điện điện áp có biên độ ngược pha với dòng điện điện áp hài lưới để triệt tiêu chúng [2, 4] Hình trình bày nguyên lý lọc tích cực song song [6] dq abc vabc ild PLL L.P.F ild N=8 ic* iF - ilabc ilq L.P.F dq Hình Ngun lý lọc tích cực song song N=8 + ilq abc Hình Khối tách dòng điện dòng điện hài Xây dựng thuật tốn cho lọc sóng hài tích cực song song mô kiểm chứng 4.1 Xây dựng thuật tốn cho lọc sóng hài tích cực song song Hình Thuật tốn điều khiển cho lọc tích cực Hình trình bày thuật tốn xây dựng cho lọc tích cực Trong đó, dòng điện qua tải phi tuyến bao gồm hai thành phần dòng điện (i cb) dòng điện hài (ih) Dòng điện tải đưa qua khối tách dòng dòng hài để lọc lấy thành phần hài i h Dòng điện hài đưa đến điều khiển, điều khiển phát xung điều khiển nghịch lưu nguồn áp bơm dòng điện dòng điện hài ih lên lưới, dòng điện phía nguồn (is) is= ih+ icb - ih= icb Như vậy, tác dụng dòng điện lọc bơm lên lưới, thành phần dòng điện hài bị triệt tiêu, dòng điện lưới lại thành phần dòng điện với tần số Với thuật tốn hình 3, khối tách dòng điện dòng điện hài khối quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động xác lọc tích cực Như giới thiệu phần 1, khối sử dụng phép phân tích Fourier, ngồi phần lớn sử dụng lý thuyết công suất tức thời p-q, trọng tâm báo sâu xây dựng phân tích khối sử dụng hệ tọa độ dq hình Chức số khối thuật toán khái quát sau: - Khối chuyển đổi qua lại hai hệ trục abc d-q: Phương pháp tính tốn dựa việc tính tốn thành phần dòng diện id - iq dòng diện tức thời ba pha với hệ thống khung tham chiếu với hai trục vng góc d-q Hai trục quay với tốc độ đồng điện áp Trong hệ quy chiếu quay thành phần ứng với tần số dòng điện hệ abc trở thành thành phần chiều id - iq - Khối mạch vòng khóa pha PLL: Khối PLL khơng chịu ảnh hưởng điện áp có chứa thành phần sóng hài Tín hiệu khối vận tốc góc đồng - Các lọc thông thấp (L.P.F): Chức lọc thông thấp lọc bỏ thành phần xoay chiều với tần số khác nhau, giữ lại thành phần chiều Dòng điện tải ba pha ilabc hình chuyển sang hệ quy chiếu đồng (abc chuyển sang dq0) Sự chuyển đổi từ dòng điện tải ba pha (ila, ilb, ilc) sang dòng điện hệ quy chiếu đồng (ild, ilq, il0) dựa cơng thức đây: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 39 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 2 2 2 ila sin( t) ilb sin( t ) ilc sin(t ) 3 2 2 2 ilq ila cos( t) ilb cos( t ) ilc cos(t ) 3 3 i0 ila ilb ilc ild (2) Các dòng điện hệ quy chiếu đồng ild ilq phân tích sau: ild ild ild ilq ilq ilq (3) Trong đó: ild ;ild thành phần chiều thành phần xoay chiều theo trục d; ilq ;ilq thành phần chiều thành phần xoay chiều theo trục q Hai lọc thông thấp để lọc lấy thành phần chiều ild ; ilq đặc trưng cho thành phần dòng điện tần số Sau lọc thành phần chiều đại diện cho dòng điện tần số bản, thành phần lại chuyển dòng điện hệ abc theo công thức: ila ild sin( t) ilqcos( t) i0 2 2 ) ilqcos( t ) i0 3 2 2 ilc ild sin( t ) ilqcos( t ) i0 3 ilb ild sin( t (4) Lúc ta thu dòng điện tải iF với tần số (thành phần hài bị lọc ra), với việc lấy dòng điện tải ban đầu trừ dòng điện ta thu thành phần dòng điện hài cần bù ic*= ilabc - iF, dòng điện khối phát xung xử lý để gửi xung điều khiển cho nghịch lưu nguồn áp 4.2 Mô kiểm chứng thuật tốn điều khiển Hệ thống có sơ đồ khối xây dựng phần mềm Matlab - Simulink bao gồm khối khối nguồn, hệ thống tải phi tuyến tải không cân bằng, lọc tích cực song song, khối đo lường, thu thập tín hiệu dòng điện, điện áp khối hiển thị Hình thể cấu trúc lọc tích cực xây dựng Có hai khối tách dòng điện dòng điện hài xây dựng đồng thời, khối xây dựng sử dụng lý thuyết công suất tức thời p-q khối xây dựng sử dụng hệ tọa độ d-q, tín hiệu vào khối dòng điện điện áp tải Đầu khối tách dòng dòng hài dòng điện hài lưới, tín hiệu đưa tới khối Pulse generator để phát xung điều khiển cho biến đổi nguồn áp Inverter bơm dòng điện dòng điện hài lên lưới, dòng điện đưa qua lọc trước bơm lên lưới Bảng số thông số cài đặt mô phỏng: Bảng Các thông số cài đặt mô Các thông số nguồn Điện áp nguồn (Ud) 380V Tần số (f) 50Hz Điện trở đường dây (Rd)/Điện kháng đường dây (Ld) 0.1 /0.15e-3 H Thông số nghịch lưu nguồn áp lọc Điện dung tụ điện nghịch lưu nguồn áp (Cdc) 35e-6 F Điện kháng lọc đầu nghịch lưu nguồn áp (Lfilter) 15e-3 H Dải cho khối điều khiển thích nghi (HB) 0.02 Tần số cắt cài đặt cho lọc thông thấp 30Hz Cầu chỉnh lưu pha không điều khiển Tải cầu chỉnh lưu pha không điều khiển (Rcl3p) 10 Cầu chỉnh lưu pha Điện trở cầu chỉnh lưu pha (R1p) 10 Điện cảm cầu chỉnh lưu pha (L1p) 0.02H Mô thực với trường hợp nặng nề tải phi tuyến không cân bằng: gồm cầu chỉnh lưu ba pha không điều khiển cầu chỉnh lưu pha Hai khối tách dòng điện Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 40 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 dòng điện hài sử dụng hai phương pháp khác đưa vào hoạt động để lấy kết so sánh Q trình mơ đặt 0.3s Trong đó: - Tại thời điểm t = 0, tải phi tuyến tải không cân đưa vào hoạt động ngay; - Tại thời điểm t = 0.1s, lọc tích cực đưa vào hoạt động GRID N A B C A B C A B C 380 V, 50 Hz aA bB cC aA bB cC B a b c B_Load Non Linear Load & Unbalace Load A + I_grid Discrete, Ts = Ts s ACTIVE FILTER B dc Grid Current I_Load powergui Load Current I_AF - Filter Current Data Acquistion C Scope ACTIVE FILTER Hình Sơ đồ khối hệ thống phần mềm Matlab - Simulink KHOI TACH DONG CO BAN VA DONG HAI Iabc_NL ilabc abc Out1 Pulse generator Vabc Vabc Ic Su dung Ly thuyet cong suat tuc thoi p-q abc Iabc Manual Switch ilabc Pulse Generator g Out1 Vabc Iabc_A Su dung He toa d-q g + a A b B B c C C A A A a B C b c VI Measurement A B C A B C + + - v V_dc B - C oupling Inductor C - Inverter Hình Cấu trúc lọc tích cực xây dựng phần mềm Matlab - Simulink Dưới số kết mơ phỏng: Hình Dòng điện phía tải theo thời gian Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Hình Dòng điện phía nguồn thuật tốn điều khiển sử dụng lý thuyết p-q Số 49 - 01/2017 41 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Hình Dòng điện phía phía nguồn thuật toán điều khiển sử dụng hệ tọa độ d-q Hình 10 Phổ dòng điện phía nguồn thuật tốn điều khiển sử dụng hệ tọa độ d-q tác động Hình Dòng điện phía nguồn lọc khơng tác động Hình 11 Phổ dòng điện phía nguồn thuật toán điều khiển sử dụng lý thuyết p-q tác động Kết luận Từ kết mô ta thấy rằng, tải ba pha tải phi tuyến khơng cân bằng, dòng điện tải bị méo dạng lớn Tại thời điểm t = 0.1(s), ta đưa lọc tích cực vào hoạt động, lọc tính tốn bơm lên lưới dòng điện bù làm cho dòng điện phía nguồn gần có dạng hình sin (hình 8) Kết phân tích phổ dòng điện cho ta kết sau: - Với tải phi tuyến có giá trị trên, dòng điện phía tải bị méo dạng lớn, số THD=18.96% Dòng điện hài bậc có độ lớn xấp xỉ 18.1% dòng điện bản, dòng điện hài bậc có độ lớn xấp xỉ 6.7% dòng điện bản, dòng điện hài bậc 11 có độ lớn khoảng 2.6% dòng điện bản, dòng điện hài bậc 13 có độ lớn khoảng 1.65% dòng điện bản,… - Khi lọc đưa vào hoạt động,với thuật toán điều khiển sử dụng hệ tọa độ d-q dòng điện phía nguồn gần có dạng hình sin (hình 8) với số THD thấp 1.92% (hình 10) Các dòng điện hài bậc có độ lớn khoảng 1.9% dòng điện bản, dòng điện hài bậc bậc khoảng 0.4-0.5% dòng điện bản, dòng điện hài bậc cao gần bị triệt tiêu hoàn toàn Trong với thuật tốn sử dụng lý thuyết cơng suất tức thời p-q dòng điện phía nguồn gần có dạng hình sin, số THD giảm xuống 2.14% Như thuật tốn điều khiển sử dụng hệ tọa độ d-q cho thấy hoạt động tốt thuật tốn sử dụng lý thuyết cơng suất tức thời p-q TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương, Lê Văn Doanh, Bạch Quốc Khánh, Hoàng Hữu Thận, Phùng Anh Tuấn, Đinh Thành Việt, Sách tra cứu chất lượng điện năng, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2013 [2] Ahmet TEKE, Lutfu SARIBULUT, M Emin MERAL, Mehmet TUMAY, Active power Filter: Review of Converter Topologies and Control Strategies, Gazi University Journal of Science, 2011 [3] Nguyen Xuan Tung, Power Quality Analysis and Solution for Power Distribution System, Doctor Thesis in Shibaura Institude of Technology, 2010 [4] P Salmerón and S P Litrán, Improment of the Electric Power Qualiy Using Series Active and Shunt Passive Filters, IEEE Transactions on power delivery, 2010 [5] Roger C Dugan, Mark F McGranaghan, Surya Santoso, H Wayne Beaty, Electrical Power Systems Quality, McGraw Hill, 2004 [6] Karuooanan P*, Kamala Kanta Mahapatra, PI and fuzzy logic controllers for shunt active power filter - A report, ISA Transactions 51(2012) 163-169 Ngày nhận bài: Ngày phản biện: Ngày duyệt đăng: 30/12/2016 10/01/2017 16/01/2017 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 42 ... lọc sóng hài tích cực song song mô kiểm chứng 4.1 Xây dựng thuật tốn cho lọc sóng hài tích cực song song Hình Thuật tốn điều khiển cho lọc tích cực Hình trình bày thuật tốn xây dựng cho lọc tích. .. cho lọc tích cực sử dụng lý thuyết công suất tức thời p-q Bài báo đề cập đến việc xây dựng mô thuật tốn điều khiển cho lọc tích cực sử dụng hệ tọa độ d-q, kết nghiên cứu cho thấy thuật toán tỏ... thị Hình thể cấu trúc lọc tích cực xây dựng Có hai khối tách dòng điện dòng điện hài xây dựng đồng thời, khối xây dựng sử dụng lý thuyết công suất tức thời p-q khối xây dựng sử dụng hệ tọa độ