Xây dựng mô hình và đánh giá ảnh hưởng của bộ lọc tích cực tới hệ thống điện

Xây dựng mô hình và đánh giá ảnh hưởng của bộ lọc tích cực tới hệ thống điện Xây dựng mô hình và đánh giá ảnh hưởng của bộ lọc tích cực tới hệ thống điện Xây dựng mô hình và đánh giá ảnh hưởng của bộ lọc tích cực tới hệ thống điện luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ĐỨC GIỎI XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC TỚI HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành: HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Trần Văn Thịnh Hà Nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tồn luận văn cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố Nếu sai với lời cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn NGUYỄN ĐỨC GIỎI LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu với nỗ lực thân, giúp đỡ tận tình thầy giáo môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Trần Văn Thịnh, tác giả hoàn thành luận văn với đề tài “Xây dựng mơ hình đánh giá ảnh hưởng lọc tích cực tới hệ thống điện” Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc giúp đỡ tận tình thầy giáo TS Trần Văn Thịnh, xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Hệ thống điện - Trường đại học Bách khoa Hà Nội Viện Đào tạo sau đại học Trường đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thời gian thực đề tài Do kiến thức cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận dẫn, góp ý thầy giáo, giáo để luận văn hoàn thiện Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN .2 DANH MỤC HÌNH ẢNH Danh mục kí hiệu chữ viết tắt 10 Mở đầu 11 Tính cấp thiết đề tài 11 Mục đích nghiên cứu 11 Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu 11 Phương pháp nghiên cứu 12 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 12 Cấu trúc luận văn 12 CHƯƠNG 1: Tổng quan chất lượng điện sóng điều hịa bậc cao (Sóng hài) 14 1.1 Giới thiệu chung 14 1.2 Chất lượng điện 14 1.2.1 Giới thiệu 14 1.2.2 Khái niệm chất lượng điện 14 1.2.3 Vấn đề chất lượng điện 16 1.3 Các tượng tác động tới lưới điện 17 1.3.1 Quá độ 17 1.3.2 Các biến thiên điện áp kéo dài 18 1.3.3 Các thay đổi điện áp thời gian ngắn 19 1.3.4 Mất cân điện áp 20 1.3.5 Méo dạng điện áp 21 1.4 Tổng quan sóng hài 22 1.4.1 Giới thiệu chung 22 1.4.2 Các số đánh giá 24 1.4.3 Nguyên nhân gây sóng hài 25 1.4.4 Các nguồn sinh sóng hài 26 1.4.5 Ảnh hưởng sóng hài 30 1.4.6 Một số tiêu chuẩn giới hạn thành phần sóng hài lưới 31 1.4.7 Các phương pháp làm giảm sóng hài 32 Kết luận: 33 Chương 2: giới thiệu lọc sóng chức năng, nguyên lý làm việc ứng dụng lọc tích cực hệ thống điện 34 2.1 Giới thiệu lọc sóng 34 2.1.1 Bộ lọc thụ động 34 2.1.2 Bộ lọc tích cực 36 2.2 Cấu trúc điều khiển lọc tích cực 45 2.2.1 Tìm hiểu chung nghịch lưu PWM 45 2.2.2 Các phương pháp điều khiển 48 2.2.3.Phương pháp lý thuyết p-q 48 2.2.4 Cấu trúc mạch lọc sóng điều hịa dùng nghịch lưu PWM 53 Kết luận 54 Chương 3: mơ lọc tích cực phần mềm matlab 55 3.1 Giới thiệu 55 3.2 Kết mô 61 Kết luận 75 Chương 4: So sánh hiệu quả, giá trị kinh tế lọc tích cực với lọc khác 76 4.1 Mô lọc thụ động 76 4.1.1 Giới thiệu 76 4.1.2 Lựa chọn lọc 76 4.1.3 Kết mô 79 4.2 Nhận xét, đánh giá, so sánh lọc tích cực lọc thụ động: 82 KẾT LUẬN 84 Danh mục tài liệu tham khảo 85 Tiếng Việt: 85 Tiếng Anh: 85 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Thể cách nhìn nhận khách hàng ngành điện lực Chất lượng điện [13] .16 Hình 2: Quá độ xung dòng điện sét đánh 18 Hình 3: Quá độ dao động đóng trạm tụ bù .18 Hình 4: Điện áp lõm gây mở máy động công suất lớn 19 Hình 5: Điện áp lồi gây đóng điện vào trạm bù tụ 20 Hình 6: Khấc điện áp gây biến đổi điện tử công suất ba pha 22 Hình 7: Biến dạng sóng hài 23 Hình 8: Phổ đường dây truyền tải pha 25 Hình 9: Đặc tính sóng điều hịa sinh từ đèn huỳnh quang 28 Hình 10: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 29 Hình 11: Dịng điện lưới gây chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển29 Hình 12: Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển 29 Hình 13: Ảnh hưởng sóng hài gây hỏng hóc nghiêm trọng 31 Hình 1: Bộ lọc RC 35 Hình 2: Bộ lọc LC 35 Hình 3: Sơ đồ nguyên lý lọc tích cực 36 Hình 4: Cấu hình VSI Hình 5: Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI .39 Hình 6: Cấu hình CSI Hình 7: Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI .39 Hình 8: Bộ lọc tích cực Hình 9: Sơ đồ chi tiết lọc AF 39 Hình 10: Nguyên lý hoạt động lọc tích cực song song .41 Hình 11: Cấu hình lọc tích cực Afs lọc Afs Hình 12: Cấu hình chi tiết 41 Hình 13: Bộ lọc tích cực thống UPQC 42 Hình 14: Bộ lọc tích cực lai 43 Hình 15: Bộ lọc tích cực dây 43 Hình 16: Bộ lọc tích cực bốn dây có điểm .44 Hình 17: Bộ lọc tích cực dây .44 Hình 18: Sơ đồ mạch lực nghịch lưu PWM 45 Hình 19: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vịng hở 46 Hình 20: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vòng kín .47 Hình 21: Biến đổi hệ trục tọa độ a-b-c thành α-β 49 Hình 22: Sau biến đổi tương đương 50 Hình 23: Thuật tốn điều khiển dựa thuyết p-q 52 Hình 24 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu PWM làm lọc tích cực .54 Hình 1: Cấu trúc điều khiển 55 Hình 2: Khối tổng qt mơ lọc 56 Hình 3: Khâu nguồn cấp pha tần số 50Hz, điện áp dây 380V 57 Hình 4: Khâu mạch chỉnh lưu cầu pha có điều khiển 58 Hình 5: Khâu mạch lực lọc tích cực 58 Hình 6: Thơng số cuộn cảm kháng 59 Hình 7: Thơng số cầu IGBT/Diode 59 Hình 8: Thơng số tụ bù 60 Hình 9: Khâu mạch điều khiển lọc tích cực 60 Hình 10: Dạng dịng điện (a) điện áp (b) pha trước lọc với tải chỉnh lưu Diode .61 Hình 11: Dòng điện pha A (a) Phổ trước lọc (b) với tải chỉnh lưu Diode .62 Hình 12: Dạng dịng điện (a) điện áp (b) pha trước lọc với tải chỉnh lưu Diode .62 Hình 13: Dòng điện pha A, dòng điện bù dòng điện tải sau lọc với tải chỉnh lưu Diode .63 Hình 14: Dịng điện pha A(a) phổ sau lọc (b) với tải chỉnh lưu Diode .63 Hình 15: Dạng dòng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc với tải chỉnh lưu Diode .63 Hình 16: Dạng dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc với tải chỉnh lưu Diode .64 Hình 17: Điện áp rơi tụ bù với tải chỉnh lưu Diode 64 Hình 18: Dạng dịng điện (a) điện áp (b) pha trước lọc có góc điều khiển 10o 65 Hình 19: Dòng điện pha A (a) phổ trước lọc (b) có góc điều khiển 10o .65 Hình 20: Dạng dịng điện (a) điện áp (b) pha trước lọc có góc điều khiển 10o 66 Hình 21: Dịng điện pha A, Dịng điện bù dịng điện tải có góc điều khiển 10o 66 Hình 22: Dòng điện pha A (a) phổ sau lọc (b) có góc điều khiển 10o 66 Hình 23: Dòng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc có góc điều khiển 10o .67 Hình 24: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc có góc điều khiển 10o .67 Hình 25: Điện áp rơi tụ bù có góc điều khiển 10o 67 Hình 26: Dạng dịng điện (a) điện áp (a) pha trước lọc có góc điều khiển 30o 68 Hình 27: Dòng điện pha A (a) phổ trước lọc (b) có góc điều khiển 30o .68 Hình 28: Dạng dịng điện điện áp pha trước lọc có góc điều khiển 30o 69 Hình 29: Dòng điện pha A, Dòng điện bù dịng điện tải có góc điều khiển 30o 69 Hình 30: Dịng điện pha A (a) phổ sau lọc (b) có góc điều khiển 30o 70 Hình 31: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc có góc điều khiển 30o .70 Hình 32: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc có góc điều khiển 30o .70 Hình 33: Điện áp rơi tụ bù 71 Hình 34: Dạng dòng điện (a) điện áp (b) pha trước lọc có góc điều khiển 60o 71 Hình 35: Dịng điện pha A (a) phổ trước lọc (b) có góc điều khiển 60o .72 Hình 36: Dạng dịng điện (a) điện áp (b) pha trước lọc có góc điều khiển 60o 72 Hình 37: Dòng điện pha A, Dòng điện bù dòng điện tải có góc điều khiển 60o 73 Hình 38: Dịng điện pha A (a) phổ sau lọc (b) có góc điều khiển 60o 73 Hình 39: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc có góc điều khiển 60o .73 Hình 40: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc có góc điều khiển 60o .74 Hình 41: Điện áp rơi tụ bù có góc điều khiển 60o 74 Hình 1: Mơ hình mạch lọc thơng thấp 76 Hình 2: Sơ đồ mơ lọc thụ động tải chỉnh lưu có điều khiển 78 Hình 3: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc, góc điều khiển 10o 79 Hình 4: Dịng điện pha A (a) phổ sau lọc (b), góc điều khiển 10o 79 Hình 5: Dịng điện (a) điện áp (b) pha A, góc điều khiển 10o 79 Hình 6: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc, góc điều khiển 30o 80 Hình 7: Dịng điện pha A (a) phổ sau lọc (b), góc điều khiển 30o 80 Hình 8: Dịng điện (a) điện áp (b) pha A, góc điều khiển 30o 80 Hình 9: Dòng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc, góc điều khiển 60o 81 Hình 10: Dòng điện pha A (a) phổ sau lọc (b), góc điều khiển 60o 81 Hình 11: Dòng điện (a) điện áp (b) pha A, góc điều khiển 60o 81 a) b) Hình 35: Dịng điện pha A (a) phổ trước lọc (b) có góc điều khiển 60o IA a) UA b) Hình 36: Dạng dịng điện (a) điện áp (b) pha trước lọc có góc điều khiển 60o Nhận xét : Khi chưa lắp lọc, dịng điện dịng tải có dạng hình 3.31 Dịng điện bao gồm thành phần hài bậc cao, phân tích phổ hình 3.32: Thành phần hài bậc lớn 45%, bậc 20%, thành phần bậc lẻ khác 10%; Tổng méo hài THD = 56.39% theo tiêu chuẩn hài nhỏ 5%, nên không đạt tiêu chuẩn 72 Sau lọc ICL Trong đó: IAF IL IL: Dòng điện nguồn IAF: Dòng điện bù lọc ICL: Dịng điện phụ tải Hình 37: Dòng điện pha A, Dòng điện bù dòng điện tải có góc điều khiển 60o a) b) Hình 38: Dòng điện pha A (a) phổ sau lọc (b) có góc điều khiển 60o IA IC IB a) b) UB UC UA Hình 39: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc có góc điều khiển 60o 73 IA a) UA b) Hình 40: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc có góc điều khiển 60o Hình 41: Điện áp rơi tụ bù có góc điều khiển 60o Nhận xét : Khi chưa lọc, dịng điện tải xoay chiều (chỉnh lưu góc điều khiển 60 độ) dịng điện nguồn, có dạng hình 3.31 Khi có lọc, trình bày (hình 2.10), lọc tích cực hấp thụ tồn thành phần hài dịng tải cách tạo dịng điện AF (hình 3.34), cho đáp ứng biểu thức (2.1) để có ICL – IAF = IL dịng điện hình 3.36 Phân tích tích phổ dịng điện hình sin sau lọc hình 3.35 ta thấy rằng: Các thành phần hài bậc 5, giảm hẳn, bậc 0.7% so với 45% trước lọc bậc 2% so với 20% trước lọc; Chỉ số THD giảm đáng kể, từ 56.39% xuống 5.00% đạt tiêu chuẩn sóng hài; Điện áp tụ biểu diễn hình 3.38, có thời gian q độ khoảng chu kỳ ổn định 74 Kết luận Ở chương này, ta xây dựng mô lọc tích cực phần mềm Matlab/Simulink chạy mô để kiểm thử lọc Các kết rằng, lọc hoạt động tốt, dòng điện lưới trở lại dạng sin, thời gian tác động nhanh ổn định, thành phần hài phụ tải sinh hầu hết bị triệt tiêu, tồn thành phần điều hòa dịng chiều khơng đáng kể, số THD nhỏ 5% đạt tiêu chuẩn IEEE 519 Để chứng minh, hiệu làm việc lọc tích cực, phần ta mô lọc thụ động để so sánh kết lại với 75 CHƯƠNG 4: SO SÁNH HIỆU QUẢ, GIÁ TRỊ KINH TẾ CỦA BỘ LỌC TÍCH CỰC VỚI CÁC BỘ LỌC KHÁC 4.1 Mô lọc thụ động 4.1.1 Giới thiệu Trong lần mô này, ta sử dụng phụ tải mạch chỉnh lưu có điều khiển với thông số mô mô lọc tích cực Các góc điều khiển 10o, 30o 60o 4.1.2 Lựa chọn lọc 4.1.2.1 Bộ lọc thông thấp LC: Theo kết mô trước, ta thấy phụ tải phát các sóng điều hịa theo dải rộng bậc lẻ: 5, 7, 9, 11, 13,… Nếu sử dụng sơ đồ lọc điều chỉnh rẽ nhánh phải chế tạo nhiều tương ứng bậc sóng hài gây tăng chi phí độ phức tạp mạch lọc Phương án sử dụng lọc LC để lọc dải thông thấp 4.1.2.2 Thiết kế lọc Hình 1: Mơ hình mạch lọc thơng thấp Ta có cơng thức chọn thơng số lọc LC: (4.1) Trong đó: • Fh1: Hàm truyền • XC: Dung kháng tụ điện C 76 • XL: Cảm kháng cuộn cảm L • hCH: Hệ số cộng hưởng • R: Điện trở • L: Điện cảm • C: Điện dung • : Tốc độ góc Ở ta chọn cuộn kháng có L = 25mH tụ C = 30μF Với LC chọn, tần số đóng cắt mạch thích hợp fc = 110Hz (tương đương hCH = 2.2) 77 4.1.2.3 Sơ đồ mô Tương tự mơ tích cực ta có mơ hình tổng qt: Hình 2: Sơ đồ mơ lọc thụ động tải chỉnh lưu có điều khiển 78 4.1.3 Kết mơ 4.1.3.1 Góc điều khiển 10o a) IC IB IA b) UB UC UA Hình 3: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc, góc điều khiển 10o a) b) Hình 4: Dòng điện pha A (a) phổ sau lọc (b), góc điều khiển 10o IA a) UA b) Hình 5: Dòng điện (a) điện áp (b) pha A, góc điều khiển 10o 79 4.1.3.2 Góc điều khiển 30o IC IA IB a) b) UB UA UC Hình 6: Dòng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc, góc điều khiển 30o a) b) Hình 7: Dịng điện pha A (a) phổ sau lọc (b), góc điều khiển 30o IA a) UA b) Hình 8: Dịng điện (a) điện áp (b) pha A, góc điều khiển 30o 80 4.1.3.3 Góc điều khiển 60 o IC IA IB a) b) UB UA UC Hình 9: Dịng điện (a) điện áp (b) pha sau lọc, góc điều khiển 60o a) b) Hình 10: Dịng điện pha A (a) phổ sau lọc (b), góc điều khiển 60o IA a) UA b) Hình 11: Dịng điện (a) điện áp (b) pha A, góc điều khiển 60o 81 4.1.3.4 Nhận xét Góc điều khiển 10 độ: Khi có lọc, phân tích tích phổ dịng điện sau lọc hình 4.4 ta thấy rằng: Các thành phần hài bậc 5, giảm không đáng kể, bậc 20% so với 0.2% lọc tích cực bậc 7% so với 0.6% lọc tích cực; Chỉ số THD giảm ít, từ 28.99% xuống 24.86% khơng đạt tiêu chuẩn sóng hài mà lọc tích cực đạt Góc điều khiển 30 độ: Khi có lọc, phân tích tích phổ dịng điện sau lọc hình 4.7 ta thấy rằng: Các thành phần hài bậc 5, giảm không đáng kể, bậc 27% so với 0.35% lọc tích cực bậc 10% so với 0.3% lọc tích cực; Chỉ số THD giảm ít, từ 32.93% xuống 30.49% khơng đạt tiêu chuẩn sóng hài mà lọc tích cực đạt Góc điều khiển 60 độ: Khi có lọc, phân tích tích phổ dịng điện sau lọc hình 4.10 ta thấy rằng: Các thành phần hài bậc 5, tăng mạnh, bậc tăng tới 65% bậc 25%; Chỉ số THD khơng giảm mà cịn tăng cao, từ 56.39% tăng lên 69.37% Bộ lọc thụ động khơng đạt với tính tốn thơng số ban đầu 4.2 Nhận xét, đánh giá, so sánh lọc tích cực lọc thụ động: Qua kết mơ lọc sóng hài lọc tích cực lọc thụ động, ta thấy: - Bộ lọc thụ động có tác dụng hạn chế số hài bậc cao cho phụ tải có đặc tính phi tuyến tính Khơng thể tăng điện kháng cuộn cảm sụt giảm cơng suất tải, nên mạch lọc sóng hài phù hợp với mạch thiết kế Khi thay đổi phụ tải, khả lọc sóng bị giảm mạnh 82 - Bộ lọc tích cực phát huy hiệu rõ rệt tải phi tuyến Nhờ việc phát sóng hài có độ lớn tần số ngược pha với sóng hài mà phụ tải sinh nên lọc hầu hết sóng hài sinh phụ tải Nên mạch lọc tích cực phù hợp với hầu hết phụ tải tuyến tính có khả thích nghi với việc phụ tải thay đổi Cũng từ kết mô phỏng, dựa vào số THD ta đánh giá tính hiệu lọc tích cực mặt hạn chế lọc thụ động Trong kết trả sử dụng lọc tích cực, số THD ln đạt tiêu chuẩn (