Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến

Trong bài viết này, một mô hình đơn giản về Bộ lọc tích cực trong hệ thống có tải phi tuyến ba pha được đề xuất. Sơ đồ điều khiển bộ lọc là điện áp đầu ra bộ nghịch lưu làm việc như là nguồn cung cấp điện AC.

Số 30 (55) - Tháng 7/2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Mơ hình mơ lọc tích cực pha tác động tải phi tuyến Simulation model of three-phase active filter under the impact of nonlinear loads ThS Huỳnh Lê Minh Thiện, Trường Đại học Sài Gòn Huynh Le Minh Thien, M.Sc., Saigon University TS Hồ Văn Cừu, Trường Đại học Sài Gòn Ho Van Cuu, Ph.D., Saigon University TS Trần Thanh Vũ, Trường Đại học Sài Gòn Tran Thanh Vu, Ph.D., Saigon University ThS Đỗ Đăng Trình, Trường Đại học Tây Đơ Do Dang Trinh, M.Sc., Tay Do University Tóm tắt Trong báo này, mơ hình đơn giản Bộ lọc tích cực hệ thống có tải phi tuyến ba pha đề xuất Sơ đồ điều khiển lọc điện áp đầu nghịch lưu làm việc nguồn cung cấp điện AC Mơ hình phi tuyến hệ thống bao gồm lọc LC khung tham chiếu đồng d-q-0 Sau đó, dòng phản hồi đầu vào-đầu điều khiển bỡi khối điều khiển PI để tránh tính tốn phức tạp đơn giản hóa thêm cấu trúc điều khiển Ngoài ra, lọc thấp qua lọc cao qua sử dụng để loại bỏ sóng hài gây tải phi tuyến để nâng cao chất lượng nguồn Hiệu phương pháp điều khiển chứng minh kết mô Từ khóa: lọc nguồn tích cực, tải phi tuyến, lọc nguồn tích cực mắc song song, lọc tích cực pha, điều khiển PI, tải không cân Abstract In this paper, a simple model of Active filter to regulate the three-phase nonlinear loads is proposed The control scheme is output line-to-neutral voltages of a split-capacitor inverter as an AC power supplies First, the nonlinear model of the system consisting of LC filter is obtained in the d-q-0 synchronous reference frame Then, the input-output feedback currents are applied through the PI approach, which avoids the complex calculations and simplifies the controller structure Also, a lowpass filter and a high-pass filter are employed for the PI controller to eliminate the harmonic wave caused by nonlinear loads to improve the source quality The validity of the control method has been verified by simulation results Keywords: active power filter, nonlinear load, SAPF (Shunt Active Power Filter), three-phase active filter, PI controller, unbalanced load 10 HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH lượng nguồn Tác giả nhóm tác giả tiếp tục tìm kiếm phương pháp điều khiển cho lọc tích cực Trong năm gần đây, lọc tích cực (APF) dựa chuyển đổi PWM phát triển rộng rãi coi giải pháp khả thi Tuy nhiên, hầu hết chúng dựa sóng hài cảm ứng yêu cầu điện áp xung không tải tuyến tính [4-6] đòi hỏi hệ thống điều khiển phức tạp Duke and Round đề xuất chương trình dòng điện bù u cầu xác định cách sử dụng kỹ thuật Sinusoid tổng hợp cảm biến dòng Nghiên cứu phát triển thêm cách dùng cảm biến dòng [8], đơn giản dễ thực thi mơ hình Mơ hình hệ thống sử dụng lọc tích cực Mơ hình đơn giản trình bày hình mơ tả hệ thống nguồn pha tải phi tuyến có sử dụng lọc tích cực mắc song song, bảng mơ tả tín hiệu ký hiệu hình 1 Giới thiệu Việc sử dụng tải phi tuyến biến đổi tốc độ động cơ, máy hàn hồ quang điện, nguồn điện sử dụng chuyển mạch điện tử gây lượng lớn dòng điện hài hệ thống phân phối điện Những dòng hài làm méo dạng điện áp, tăng tổn thất điện làm nóng máy biến áp, gây ổn định hoạt động thiết bị điện tử Để cải thiện chất lượng nguồn cho mạng lưới phân phối, lọc thụ động truyền thống điện cảm (L), điện dung điện cảm (LC) điện cảm điện dung điện cảm (LCL) sử dụng để loại bỏ sóng hài dòng nâng cao cơng suất tải hệ số Tuy nhiên, ứng dụng thực tế, lọc bậc hai thụ động có nhiều nhược điểm vấn đề lão hóa điều chỉnh, cộng hưởng song song, yêu cầu phải thực lọc riêng cho tần số sóng hài cần loại bỏ Để khắc phục vấn đề này, lọc tích cực đề xuất [1, 2] để nghiên cứu khả cải thiện chất Bảng Mơ tả tín hiệu Tín hiệu Mơ tả I_sa Dòng điện pha a I_sb Dòng điện pha b I_sc Dòng điện pha c I_a Dòng điện tải pha a I_b Dòng điện tải pha b I_c Dòng điện tải pha c I_afa Dòng điện lọc pha a I_afb Dòng điện lọc pha b I_afc Dòng điện lọc pha c 11 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 3-Phase Active Filter Nonlinear Load A Source I_a I_b Active Filter I_c I_afa I_afb I_afc I_a I_b I_c Hình Mơ hình lọc tích cực đơn giản Trong   11200  e j (2 /3) Ma trận biểu diễn điện áp thứ tự nghịch biểu diễn cơng thức (6) 2.1 Mơ hình khối nguồn Hệ thống nguồn mô tả công thức toán học (1) đới với nguồn áp (2) nguồn dòng [1]  Vk (t )   2Vkn sin(nt  k n ) Van  1 1  V0 n         V n  Vbn   1      Vcn  1    V n  k  (a, b, c) (1) n1  I k (t )   I kn sin(nt  k n ) k  (a, b, c) (2) Triển khai ma trận điện áp ta chi tiết phương trình (7) n1 Trong n bậc hài Hai phương trình viết lại dạng biên độ pha (3) (4), bao gồm hài (n=1) hài bậc n [1]   n1 n1 V k  Vkn k n  V kn   I k   I kn k n   I kn n1 van (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n )   2V n sin(nt   n ) k  (a, b, c) (3) vbn (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n  k  (a, b, c) (4)  2V n sin(nt   n  n1 Biểu diễn ma trận cho bậc hài pha a, b, c, áp thứ tự không, thứ tự thuận thứ tự nghịc [2] V0 n  1   1 V    n  1  V n  1     Van      Vbn    Vcn  (6) 2 ) vcn (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n   2V n sin(nt   n  2 ) 2 ) (7) 2 ) Tương tự vậy, ta dòng điện (8) (5) 12 HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH ian (t )  I n sin(nt   n )  I  n sin(nt    n )  thụ thành phần phản kháng Dòng khơng đối xứng Tiêu thụ ba dòng tải khơng ba pha Sóng hài Được tạo tải khơng tuyến tính, ví dụ: Một chỉnh lưu diode, với kết dòng điện khơng hồn tồn sinusoidal 2.3 Mơ hình mạch lọc tích cực Bộ điều khiển tổng quát thể biến tham chiếu tính tốn hệ quy chiếu d-q hình 3[1] I  n sin(nt    n ) ibn (t )  I n sin(nt   n )  I  n sin(nt    n  I  n sin(nt    n  (8) 2 ) icn (t )  I n sin(nt   n )  I  n sin(nt    n  I  n sin(nt    n  2 ) 2 ) 2 ) Với tải phi tuyến hệ thống lượng điện, hệ thống nguồn tồn sóng hài giảm chất lượng điện, gây nguy hại cho thiết bị điện điện tử có hệ thống 2.2 Mơ hình tải Một mơ hình phổ biến tải phi tuyến tải chỉnh lưu bán dẫn hình Phase A Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch lọc tích cực Các tín hiệu ia, ib, ic dòng điện tải ứng với pha, va, vb, vc áp tải pha tương ứng Chuyển đổi sang hệ tọa độ αβ công thức (9) (10): RL Phase B Phase C LL 1  v0   2   v    3 v       Hình Tải phi tuyến Tải không lý tưởng: Tải không trở gây tượng tiêu thụ công suất phản kháng phi tuyến; tải biến đổi thời gian pha nên có chứa nhiều thành phần dòng điện họa tần; tải độ lớn khác pha tạo dòng điện thứ tự nghịch Các vấn đề tải không lý tưởng tải ba pha tiêu thụ lượng khác với tải điện ba pha đối xứng với hệ số công suất (khơng có độ trễ pha điện áp dòng điện) tần số khơng lý tưởng Dòng tải khơng lý tưởng có thành phần sau: Dòng phản kháng Tải có chứa thành phần điện cảm điện dung tiêu 1   va   .v    b   vc   2 (9) Dòng điện ứng hệ trục αβ : 1  i0   2   i    i      1   ia   .i    b   ic   2 (10) Theo đó, cơng thức cơng suất tính bỡi cơng thức (11):  p0  v0     p    v  q    v    i0    v .i  v  i  (11) Công thức (12) dòng điện càn phải có lọc [2]: 13 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN ic*  *  2 ic  v  v v v   p  pLoss  p   v . q   v    Khâu giữ bậc lọc thông thấp (15): kc2 GLPF ( s)  (15) s  2c s  c2 (12) Chuyển lại hệ tọa độ thực theo hệ phương trình (13) [2]: Trong đó: 1 ica*    i0    *  (13) 2 * icb   1  / / . ic  1  /  / 2  i *  icc*       c  ks k Damping ratio   Trong công thức (16): Gain T, in second Frequency of the pole fp , in Hz Mô tả tín hiệu sơ đồ khối điều khiển hình 4: Tín hiệu Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p)) V I_a Vhold1 HPF LPF Dòng điện tải pha a k Khâu tỉ lệ V_h Dạng tín hiệu sóng hài Vh V I_fa V af_a V hold2 HPF PI modify controller V_ma Tín hiệu để tạo xung điều khiển cho pha a LPF V V ma K K V ka Mô tả I_a K Ia k Time constant of the controller Trong đó: Gain Damping ratio Modified PI (Proportional-integral) controller: 1 GPI _ Modify ( s)  k (1  )( ) (16) sT  sTp (14) s  2c s  c2 k Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p)) Để sine hóa dòng điện nguồn, yêu cầu dòng điện ica*, ica*, ica* dòng hồi tiếp phải xử lý bỡi khâu PI lọc tích cực Điện áp điều khiển yêu cầu so sánh với sóng tam giác tần số cao để tạo xung điều khiển khóa bán dẫn nghịch lưu Hệ thống điều khiển SAPF Hình mơ tả mạch điều khiển cho pha, HPF, LPF điều khiển PI_Modify mô tả chi tiết bỡi (14), (15) (16) Khâu giữ bậc lọc thông cao GHPF ( s)  Gain To the converter s pulse controll voltage for phase a V_ka Xung điều khiển pha a I_afa Dòng điện lọc pha a i_afa V carr V_carr Sóng mang tần số cao Hình Mạch nguyên lý điều khiển pha a 14 Ghi Vout = k * Vin HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH Tương tự cho pha b pha c Kết mô Tín hiệu dòng điện tải qua lần khâu giữ bậc thơng cao cao thơng thấp, hình 5 Kết luận Kết dạng sóng sine cải thiện độ méo hài, hình 8, với bảng kết TDH Hình Dạng sóng I_La V_hold2 Hình Dạng sóng dòng điện nguồn sau lọc Bảng Kết giảm méo hài THD Fundamental Frequency 6.0000000e+001 Hz I(i_sa) 5.4928609e-003 I(i_sb) 5.3634647e-003 I(i_sc) 5.3283370e-003 Với mơ hình mơ đơn giản trình bày, khâu điều khiển PI_modify lọc tích cực làm tốt nhiệm vụ triệt sóng hài tải khơng lý tưởng gây ra, kết làm giảm THD trình bày Bảng Hình Sóng hài V_h V_h dòng điện sóng hài sau tín hiệu I_La qua hai lần khâu giữ bậc hai mạch lọc thông cao lọc thông thấp, mô tả phương trình (17) i_La – v_hold2 = V_h (17) TÀI LIỆU THAM KHẢO Le Minh Thien Huynh, Thanh Vu Tran, Van Cuu Ho, “Optimization Problem of Compensated Current in Electrical Power Systems Using General Three-Phase Active Power Filter”, AETA, Dec 2015 Tan Luong Van, Le Minh Thien Huynh, Thanh Trang Tran and Duc Chi Nguyen, “Improved Control Strategy of Three-Phase Four-Wire Inverters using Sliding Mode Input-Ouput Feedback Linearization under Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”, AETA, Dec 2015 N.V.Nho, M.J Youn, “Carrier PWM algorithm with optimized switching loss for three-phase four-leg multilevel inverters”, IEEE Letters, UK, vol.41, pp.43- Hình Tín hiệu sine nguồn điện sau có sử dụng lọc tích cực 15 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 44, vo.1, ISSN 0013-5194, Jan 2005 Electronics, vol.58, no 9, Sep 2011 Nguyễn Văn Nhờ, Myung- Bok Kim, GunWoo Moon, Myung- Joong Youn, “A Novel Carrier Based PWM Method in Three-phase Four-Wire Inverters”, IEEE 2004 Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea Tilli, “Four - Wire Shunt Active Filters: Optimized Design Methodology”, IEEE 2003 H Akagi, Y Kanazawa, A Nabae, “Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase”, IPEC'83 Int Power Electronics Conf., Tokyo, Japan, 1983, pp 1375-1386 N.V Nho, N.X Bac and H-H Lee, "An Optimized Discontinuous PWM Method to Minimize Switching Loss for Multilevel Inverters”, IEEE Transactions on Industrial Ngày nhận bài: 02/6/2017 Biên tập xong: 15/7/2017 16 Duyệt đăng: 20/7/2017 ... điện tải pha b I_c Dòng điện tải pha c I_afa Dòng điện lọc pha a I_afb Dòng điện lọc pha b I_afc Dòng điện lọc pha c 11 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 3- Phase... three-phase four-leg multilevel inverters”, IEEE Letters, UK, vol.41, pp. 43- Hình Tín hiệu sine nguồn điện sau có sử dụng lọc tích cực 15 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI. .. phải có lọc [2]: 13 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN ic*  *  2 ic  v  v v v   p  pLoss  p   v . q   v    Khâu giữ bậc lọc thông