Mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây

Bài viết này nghiên cứu bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây, lọc sóng hài do tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL). Sử dụng thuật toán điều khiển dòng điện trực tiếp, với bộ điều khiển trượt.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY MODELING AND SIMULATION FOR THREE-PHASE THREE-WIRE ACTIVE FILTER Bùi Đông Hải 1, Trần Thu Hà 2, Võ Hoàng Lan Khuê Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, Việt Nam, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam Trường Cao đẳng Cơng nghệ Thủ Đức, Việt Nam Ngày tồ soạn nhận 14/6/2016, ngày phản biện đánh giá 18/6/2016, ngày chấp nhận đăng 03/01/2017 TÓM TẮT Với phát triển ngành công nghiệp đại, tải phi tuyến động cơ, thiết bị điện tử (biến tần, chỉnh lưu, chuyển mạch công suất) sử dụng rộng rãi Các tải phi tuyến hoạt động tạo sóng hài lưới điện, làm tăng nhiệt độ hệ thống, giảm công suất gây nhiễu lên lưới điện dẫn đến dòng điện điện áp cung cấp bị biến dạng chất lượng điện giảm Bài báo nghiên cứu lọc tích cực song song ba pha ba dây, lọc sóng hài tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) Sử dụng thuật tốn điều khiển dịng điện trực tiếp, với điều khiển trượt Mô phần mềm Matlab-Simulink cho kết tổng độ méo điều hòa (THD) dòng điện nguồn giảm từ 26,80% xuống 2,30% Bộ lọc tích cực thiết kế làm giảm đáng kể lượng sóng hài dịng điện, hoạt động đáp ứng tiêu chuẩn quy định để nâng cao chất lượng điện Từ khóa: Bộ lọc tích cực; sóng hài; lọc sóng hài; lọc tích cực; tải phi tuyến ABSTRACT With the development of modern industry, a various nonlinear and time-varying electronic devices such as inverters, rectifiers, and switching power supplies are widely utilized These solid-state converters inject harmonics into the power lines and result in serious distortion in the supply current and voltage and decrease the power quality Harmonics increase the conduction losses, eddy current losses and also have bad impacts on other loads connected to the same voltage source This article presents a three-phase three-wire shunt active filter configuration The proposed scheme implements simplified control algorithms depending on the direct current control (DCC) techniques for designing trajectories in sliding mode control based shunt active power filter (SAPF) The performances of the AF were verified through a simulation with MATLAB-SIMULINK The THD of source current is reduced from 26,80% to 2,30% The results indicate that proposed active filter can reduce the current harmonics Keywords: active filter; harmonic; harmonic filter; active filter; nonlinear load ĐẶT VẤN ĐỀ Sóng hài gây nhiễu không mong muốn, làm ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng điện năng, sóng hài lớn mức độ cho phép làm cho cáp bị nhiệt, phá hỏng cách điện dẫn tới phá huỷ chất điện môi hỏng thiết bị hiển thị sử dụng điện đèn chiếu sáng, lổi thiết bị bảo vệ ngắt điện, máy tính hoạt động thiết bị đo lường Nguyên nhân gây sóng hài trình khởi động động cơ, hoạt động biến tần hệ truyền động điện, lò luyện hồ quang, máy hàn hồ quang, máy biến áp, máy tính thiết bị điện tử khác,… Trên giới nước có nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu sâu vào nghiên cứu mơ hình lọc tích cực lọc tích cực pha, lọc tích cực ba pha ba Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh dây, lọc tích cực ba pha bốn dây, nghiên cứu đa dạng, sử dụng thuật toán điều khiển đại điều khiển PID, điều khiển trượt, điều khiển logic mờ - nơron… Mỗi đề tài nghiên cứu có đặc điểm riêng tương ứng với mục đích nghiên cứu thiết kế, chế tạo Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh [1] nghiên cứu ảnh hưởng lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp sở thiết kế lọc tích cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hịa dịng điện bậc cao bù CSPK cho nguồn lò Đặc điểm lò loại tải công suất lớn, mức độ phi tuyến mạnh gánh nặng cho nguồn cung cấp công suất phản kháng (CSPK) Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp sở thiết kế lọc tích cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hịa dịng điện bậc cao bù CSPK cho nguồn lò, tác giả sử dụng thuật tốn thuyết cơng suất tức thời p – q làm thuật toán điều khiển cho AF Juntao Fei [2] nghiên cứu lọc tích cực ba pha điều khiển dòng điện gián tiếp áp dụng phương pháp điều khiển trượt Trong đề tài này, phương pháp điều khiển trượt thiết kế để thực giám sát dòng điện tham chiếu điều khiển dòng gián tiếp Ưu điểm việc sử dụng điều khiển trượt cho lọc tích cực song song với kỹ thuật dịng điện gián tiếp khơng cần phận phát sóng hài Bộ lọc tích cực thiết kế có hiệu triệt tiêu sóng hài tốt giảm nhỏ sóng hài dãi rộng dòng điện tải tải phi tuyến khác Farid Hamoudi [3] nghiên cứu lọc tích cực ba pha bốn dây áp dụng phương pháp điều khiển trượt Mục đích cải thiện dạng sóng dịng điện pha, giảm dịng điện trung tính tại, bù cơng suất phản kháng hệ thống phân phối ThS Phạm Văn Hiệp [4] nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm lượng thông qua việc lọc, thu sử dụng lượng sóng hài NỘI DUNG THIẾT KẾ Để khắc phục ảnh hưởng sóng hài nhóm tác giả sử dụngbộ nghịch cầu sử dụng máy phát dòng điện hài lý tưởng bao gồm chuyển mạch với diode nối song song chuyển mạch Các thiết bị bán dẫn thích hợp IGBT MOSFET với diode song song để vệ q dịng điện Nhóm tác giả thiết kế cầu nghịch lưu sử dụng IGBT hình Hình Cấu hình mạch lọc tích cực (AF) ba pha ba dây Mạch thiết kế mạch lọc ba pha ba dây sử dụng kỹ thuật điều khiển dòng điện trực tiếp, dòng điện tải IL tín hiệu ngõ vào lọc AF, dịng điện dùng để làm tín hiệu tham chiếu, tín hiệu dịng tham chiếu so sánh với dòng điện lọc phát vào lưới IF tạo tín hiệu đưa vào khối tạo xung điều khiển IGBT Dòng điện IF lọc phát vào lưới, có biên độ ngược pha với dịng điện hài, nên triệt tiêu sóng hài tải tạo Khối tạo xung có sử dụng điều khiển trượt tăng hiệu suất triệt tiêu sóng hài Hai kỹ thuật điều khiển dòng điện gián tiếp trực tiếp có điểm chung lấy tín hiệu điện áp đầu nguồn us tạo tín hiệu tham chiếu, kỹ thuật điều khiển dịng điện gián tiếp sử dụng dòng điện nguồn is, kỹ thuật điều khiển dịng điện trực tiếp sử dụng dịng điện tải iL để làm tín hiệu so sánh ngõ vào tạo xung kích Cả hai kỹ thuật có tính chất nguồn điện cách xa tải gây khó khăn việc lắp đặt, tích hợp lọc vào mạch Do đó, đề tài sử dụng kỹ thuật điều khiển dựa vào kỹ thuật điều khiển dòng trực tiếp hình Tín hiệu tham chiếu sử dụng dịng điện tải khơng sử dụng tín hiệu điện áp nguồn điện áp tụ điện hai Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh kỹ thuật điều khiển trình bày Kỹ thuật có ưu điểm tất tín hiệu đầu vào lọc sử dụng dịng điện tải nên dễ dàng lắp đặt, tích hợp lọc vào mạch điện/tải, tích hợp lọc vào mạch điện máy biến tần, điều khiển/khởi động mềm động cơ… Hình Kỹ thuật điều khiển tạo xung kích cho IGBT Theo hình 2, dịng điện tải iL đưa vào khối vịng khóa pha (PLL) để tạo dịng điện tham chiều i*L (là thành phần dòng điện tải, lọc bỏ thành phần hài) i * La = ILmax.sin(t) (1) i*Lb = ILmax.sin(t + 120o) (2) i*Lc = ILmax.sin(t - 120o) (3) Dòng tham chiếu i*L đưa vào khối trừ với dòng điện tải kết thu i*F thành phần dòng điện hài: i*Fa = iLa - i*La (4) i*Fb = iLb - i*Lb (5) i * Fc = iLc - i * Lc (6) Dòng i*F so sánh với dòng điện lọc i*F phát vào lưới thu tín hiệu sai lệch, tín hiệu ngõ vào điều chế xung kích cho IGBT Đối với mạch tạo xung sử dụng mạch điều khiển dòng trễ (Hysteresis Current Control) Các đại lượng i*Fa, i*Fb, i*Fc tương ứng dòng điện yêu cầu pha nghịch lưu, đại lượng iFa, iFb, iFc tương ứng dòng điện hồi tiếp nghịch lưu Sai lệch hai tín hiệu tín hiệu tạo sáu xung kích cho IGBT hình Do nghịch lưu sử dụng theo quy tắc kích đóng đối nghịch, IGBT (T1-T4), (T2-T5), (T3-T6) có xung kích đóng ngược Ta dùng cổng NOT để tạo xung kích đóng cho IGBT (T4-T5-T6), từ IGBT (T1-T2-T3) Biên độ sai số (hysteresis band) mạch đặt theo giá trị yêu cầu Điều khiển hàm phát xung sóng hài ngược sử dụng mặt trượt bao gồm dịng điện tham chiếu Cho (I*F) giá trị tham chiếu dòng điện tải Giá trị tham chiếu dòng điện tải điểm cân hệ thống Mặt trượt: S = (i*F - iF ) + ∫(𝑖𝐹∗ − 𝑖𝐹 )𝑑𝑡,[5] (7) Với i*F dòng điện tham chiếu là thông số điều khiển hay gọi hệ số trượt Hệ số trượt có giá trị dương đảm bảo ổn định AF Trong điều khiển trượt để đáp ứng điều kiện tồn tại, xác định U sau: 𝑖𝑓 𝑆 > U ={ −1 𝑖𝑓 𝑆 < (8) Như ta có trạng thái đóng ngắt theo ngõ vào điều khiển ba pha theo bảng Bảng Trạng thái đóng ngắt Ua T1 T4 Ub OFF ON -1 T2 T5 Uc T3 T6 OFF ON OFF ON ON OFF -1 ON OFF -1 ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Mơ hình mơ sử dụng Matlab theo sơ đồ khối hình 5.Kết khảo sát hoạt động mơ hình cho giá trị dạng sóng, THD tín hiệu điện áp, dịng điện nguồn tải mạch chưa có mạch lọc, mạch có lọc tích cực (AF), thiết kế khâu điều khiển trượt vào lọc tích cực (SMAF) Các thơng số cài đặt cho mơ hình biểu diễn bảng Bảng Thông số cài đặt mơ hình THƠNG SỐ Hình Mạch Hysteresis Hình Logic chuyển mạch GIÁ TRỊ Nguồn có giá trị hiệu dụng dây Vrms 380 V Tần số nguồn cung cấp 50Hz Điện trở đường dây Rs 2 Điện cảm đường dây Ls 5e-6H Tụ điện C 2,5e-4F Điện cảm LF 3e-3H Điện trở tải không cân RL 30 Điện cảm tải không cân LL 2e-3H Thông số khâu điều khiển trượt  1,2 Hình Sơ đồ khối lọc tích cực ba pha ba dây Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 3.1 Kết hệ thống chưa có mạch lọc Với tải Nonlinear load đóng vào mạch thời điểm t = 0s, Nonlinear load đóng vào mạch thời điểm t = 0,1s, Nonlinear load đóng vào mạch thời điểm t = 0,2s), lúc hệ thống chưa có mạch lọc sóng hài Hình 10 THD dịng điện tải pha a t = 0,05s 26,8% Hình Dạng sóng điện áp nguồn cung cấp Hình Dạng sóng dịng điện nguồn chưa có mạch lọc AF Hình hiển thị dạng sóng điện áp nguồn cung cấp, hình hiển thị dạng sóng dịng điện nguồn hình hiển thị THD dịng điện nguồn pha a 26,8% t = 0,05s Hình hiển thị dạng sóng dịng điện tải hình 10 hiển thị THD dòng điện tải pha a 26,8% t = 0,05s 3.2 Kết mô hệ thống mạch lọc AF đóng điện vào lưới Hình Dạng sóng dịng điện tải Hình 11 Dạng sóng dịng điện nguồn tải có mạch lọc AF đồ thị Hình THD dịng điện nguồn pha a t = 0,05s 26,8% Hình 12 THD dịng điện nguồn pha a có mạch lọc AF 2.32% Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 11 biểu diễn dạng sóng dịng điện nguồn tải có mạch lọc AF đồ thị, tín hiệu nét đứt dạng sóng dịng điện tải bị méo dạng tải phi tuyến gây ra, tín hiệu nét liền dạng sóng dịng điện nguồn túy sin Và THD dịng điện nguồn cịn 2.32% hình 12 Khi có lọc THD dịng điện nguồn giảm từ 26,80% (hình 10) xuống cịn 2,32% (hình 12) 3.3 Hệ thống mạch lọc tích cực có điều khiển trượt (SMAF) Bộ điều khiển trượt vào lọc cho kết mô với thông số đầu vào cho ta: có mạch lọc tích cực AF thì THD dịng điện nguồn 2,32% (Hình 12), mạch lọc có khâu có khâu điều khiển trượt, THD dịng điện nguồn 2,30% (Hình 14) 3.4 So sánh với mơ hình Juntao Fie [2] Juntao Fie [2] nghiên cứu lọc tích cực ba pha ba dây điều khiển dịng điện gián tiếp để giảm sóng hài dịng điện tải phi tuyến gây lưới Để đánh giá hiệu suất mơ hình thiết kế, tác giả tiến hành mơ mơ hình theo thơng số hệ thống mạng điện thông số hệ thống mạng mơ hình Juntao Fie Hình 13 Dạng sóng dịng điện nguồn tải có mạch lọc SMAF đồ thị Hình 15 THD dịng điện nguồn pha a mơ hình Juntao Fie [1] Hình 14 THD dịng điện nguồn pha a có mạch lọc SMAF 2.30% Mạch điện tải khơng tuyến tính làm cho dạng sóng dịng điện nguồn cung cấp bị biến dạng, cơng suất tải tăng cao độ biến dạng cường độ tăng cao Qua phân tích mơ ta thấy mạch lọc sử dụng phát lên lưới dạng sóng hài ngược pha với sóng hài tải gây làm triệt tiêu sóng hài lưới, dòng điện nguồn cung cấp sin Khi chưa lọc thời điểm t = 0,05s, THD dòng điện nguồn 26,80% (Hình 9), Hình 16 THD dịng điện nguồn pha a mơ hình Như theo kết mơ Juntao Fie THD dòng điện nguồn pha a t = 0.05 giây 2,51%, cịn theo kết mơ nghiên cứu đề tài THD dịng điện nguồn pha a 2,00% Như mơ hình thiết kế đề tài đạt kết tối ưu Đối chiếu với tiêu sóng hài Bộ Cơng Thương qui định, trường hợp Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 45(01/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh chưa sử dụng lọc tích cực thành phần sóng điều hịa dịng điện tải vượt q tiêu chuẩn cho phép quy định theo bảng tiêu chuẩn báo sóng hài cho kết ý Ngồi q trình hoạt động phụ tải có thay đổi lọc đảm bảo hạn chế lượng hài gây độ méo dạng THD% đảm bảo giới hạn cho phép Qua phân tích mơ kết cho mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây cho kết tốt, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật điện trực tiếp, có khâu điều khiển trượt Thực mơ hình hóa mơ hệ thống phần mềm Matlab-Simulink THD dòng điện nguồn giảm từ 26,80% xuống cịn 2,30% Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn khoa Điện – Điện tử, phòng Đào tạo Sau Đại học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật tạo điều kiện, giúp đỡ cho nhóm tác giả suốt thời gian qua KẾT LUẬN Qua q trình nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế Nhóm tác giả thiết kế mạch lọc tích cực ba pha ba dây với sơ đồ điều khiển lọc sử dụng thuật tốn điều khiển dịng Kết lọc tích cực sử dụng đạt giảm đáng kể lượng sóng dịng điện hài, dịng điện nguồn sau lọc có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn sóng hài Bộ Cơng Thương qui định LỜI CẢM ƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh Thiết kế lọc tích cực cho việc giảm hài dịng điện bù cơng suất phản kháng cho nguồn lị nấu thép cảm ứng Tạp chí khoa học công nghệ, đại học Đà Nẵng - số 4(33), 2009 [2] Juntao Fei, Tianhua Li, F eng Wang, and Wanru Juan A Novel Sliding Mode Control Technique for Indirect Current Contro lled Active Power Filter Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering Volume 2012, Article ID 549782, 18 pages [3] Farid Hamoudi, Aziz Chaghi, Mouloud Adli, Hocine Amimeur A sliding mode control for four–wire shunt active filter Journal of electrical engineering, vol.62, no.5, 2011, 267–273 [4] ThS Phạm Văn Hiệp Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm lượng thông qua việc lọc, thu sử dụng lượng sóng hài Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường đại học điện lực, 2011 [5] Soumya Ranjan Mohapatra Performance Enhancement of Active Power Filter using Robust Control Strategies, A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the award of the award of degree Master of Technology by Research in Electrical Engineering, National Institute of Technology Rourkela Rourkela-769008, India, 2012 Tác giả chịu trách nhiệm viết: ThS Bùi Đông Hải Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng Email: buidonghai@gmail.com ... dụng IGBT hình Hình Cấu hình mạch lọc tích cực (AF) ba pha ba dây Mạch thiết kế mạch lọc ba pha ba dây sử dụng kỹ thuật điều khiển dòng điện trực tiếp, dịng điện tải IL tín hiệu ngõ vào lọc AF,... kế mạch lọc tích cực ba pha ba dây với sơ đồ điều khiển lọc sử dụng thuật tốn điều khiển dịng Kết lọc tích cực sử dụng đạt giảm đáng kể lượng sóng dịng điện hài, dịng điện nguồn sau lọc có tổng... trượt vào lọc cho kết mô với thông số đầu vào cho ta: có mạch lọc tích cực AF thì THD dịng điện nguồn 2,32% (Hình 12), mạch lọc có khâu có khâu điều khiển trượt, THD dịng điện nguồn 2,30% (Hình