Nghiên cứu lọc sóng bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải phi tuyến của lưới cung cấp điện hạ thế

ĐỖ NGUYÊN HƯNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ NGUYÊN HƯNG NGHIÊN CỨU LỌC SĨNG BẬC CAO VÀ BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN CỦA NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN HẠ THẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA 2006-2008 Hà Nội, 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -ĐỖ NGUYÊN HƯNG NGHIÊN CỨU LỌC SÓNG BẬC CAO VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN CỦA LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN HẠ THẾ CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội, 2008 LỜI CAM ĐOAN Tôi Đỗ Nguyên Hưng, học viên lớp Cao học Tự động hóa, Khóa 2006-2008 Sau hai năm học tập nghiên cứu Viện Sau Đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Tôi định lựa chọn thực đề tài Nghiên cứu lọc sóng bậc cao bù công suất phản kháng cho phụ tải phi tuyến lưới điện hạ Tôi xin cam đoan luận văn thực thân hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, với tài liệu trích dẫn phần tài liệu tham khảo phần cuối luận văn Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008 Học viên Đỗ Nguyên Hưng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SĨNG ĐIỀU HỊA 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan sóng điều hịa 10 1.3 Tổng quan công suất phản kháng 20 1.4 Các lọc sóng điều hịa bậc cao bù cơng suất phản kháng 22 1.5 Các thiết bị bù công suất phản kháng 36 1.6 Lý thuyết phương pháp lọc tích cực 44 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO 52 TẢI PHI TUYẾN CỦA LƯỚI ĐIỆN HẠ ÁP 52 2.1 Đặt vấn đề 52 2.2 Xây dựng mơ hình tải phi tuyến khơng có lọc 53 2.3 Cấu trúc lọc tích cực 54 2.3 Xây dựng mơ hình lọc phần mềm Matlab/Simulink 65 CHƯƠNG III: MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG 76 HỆ CĨ TÁC DỤNG LỌC TÍCH CỰC 76 3.1 Mơ hình hóa mơ tải phi tuyến 77 3.2 Mơ hình hóa hệ thống có lọc tích cực tham gia 80 3.2 Kết luận chung: 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… 85 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AF Active Filter AFS Active Filter Series CSI Current Source Inverter CSPK Công suất phản kháng DFT Discrete Fourier Transform FACT Flexible AC Transmission FFT Fast Fourier Transform SSSC Static Synchronous Series Controllers STATCOM Static Synchronous Compensator SVC Static Var Compensation TCSC Thyristor Controlled Series Compensation UPQC Unified Power Quality Controller VSI Voltage Source Inverter DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu điện áp Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung (từ 120V đến 69KV) Bảng 1.3 Tiêu chuẩn IEC cho thiết bị có dịng đầu vào pha 75 A Bảng 2.1 Bảng 2.2 Modul vector biên trái, biên phải thành phần điện áp usα , usβ Thuật toán điều chế vector khơng gian DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 A- Dạng sóng sin, B- Dạng sóng điều hịa bậc cao Hình 1.2 Các thành phần sóng điều hịa Hình1.3 Phân tích Fn thành an bn Hình 1.4 Phổ thành phần điều hịa Hình 1.5 Chỉnh lưu Diot pha, dạng dòng điện phổ Hình 1.6 Chỉnh lưu Diot pha, dạng dịng điện phổ pha Hình 1.7 Chỉnh lưu Thyristor cầu pha Hình 1.8 Dạng dịng điện iA phổ Hình 1.9 Bộ lọc RC Hình 1.10 Bộ lọc LC Hình 1.11 Mạch chỉnh lưu 12 xung khơng có Hình 1.12 Kết mơ thu dạng dịng áp Hình 1.13 Phổ điện áp B1 Hình 1.14 Bộ lọc thụ động Hình 1.15 Phổ điện áp B1 Hình 1.16 Mạch lọc tích cực song song Hình 1.17 Cấu trúc lọc song song Hình 1.18 Mạch lọc tích cực nối tiếp Hình 1.19 Sơ đồ ngun lý AFS Hình 1.20 Mạch lọc tích cực dây Hình 1.21 Mạch lọc tích cực dây có điểm Hình 1.22 Mạch lọc tích cực dây Hình 1.23 Cấu trúc VSI Hình 1.24 Cấu trúc CSI Hình 1.25 Cấu trúc lọc hỗn hợp Hình 1.26 Cấu trúc UPQC Hình 1.27 Cấu trúc SSSC Hình 1.28 Cấu trúc TCSC Hình 1.29 Cấu trúc SVC Hình 1.30 Cấu trúc SVC Hình 1.31 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Statcom Hình 1.32 Nguyên lý bù bù tích cực Hình 1.34 Trạng thái hấp thụ cơng suất bù Hình 1.35 Trạng thái phát cơng suất phản kháng bù Hình 1.36 Phương pháp FFT Hình 1.37 Thuật tốn xác định dịng bù hệ dq Hình 1.38 Thuật tốn lựa chọn sóng điều hịa cần bù hệ Hình 1.39 Hình 2.1 Mơ hình lọc tích cực theo lý thuyết pq Tải phi tuyến Hình 2.2 Thơng số chỉnh lưu Hình 2.3 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống lọc tích cực Sơ đồ mạch lực lọc Hình 2.5 Sơ đồ thay pha lọc Hình 2.6 Lưu đồ thuật tốn tính dịng bù theo lý thuyết pq Hình 2.7 Thực véc tơ us vector điện áp chuẩn Hình 2.8 Biểu đồ xung vector điện áp thuộc góc phần tư thứ S1 Hình 2.9 Biểu đồ xung vector điện áp thuộc góc phần tư thứ Hình 2.10 Hình 2.11 S2 Biểu đồ xung vector điện áp thuộc góc phần tư thứ S3 Biểu đồ xung vector điện áp thuộc góc phần tư thứ S4 Hình 2.12 Hình 2.13 Biểu đồ xung vector điện áp thuộc góc phần tư thứ S5 Biểu đồ xung vector điện áp thuộc góc phần tư thứ S6 Hình 2.14 Sơ đồ khối điều khiển SVM Hình 2.15 Khối nguồn ba pha Hình 2.16 Bộ biến đổi lọc Hình 2.17 Thơng số tụ biến đổi Hình 18 Mạch điều khiển lọc Hình 19 Chuyển hệ tọa độ từ abcαβ Hình 20 Khâu tính cơng suất pq Hình 2.21 Khâu loại bỏ thành phần cơng suất p Hình 2.22 Khâu tính tốn dịng bù pq Hình 2.23 Khâu chuyển tọa độ 0αβabc Hình 2.24 Khâu chọn sectơ Hình 2.25 Chọn véc tơ Hình 2.26 Khâu tính tốn độ méo dạng Hình 2.27 Khâu lấy tín hiệu Hình 2.28 Khâu đo lường dịng điện Hình 3.1 Mơ hình mơ tải phi tuyến Hình 3.2 Dạng dịng điện nguồn Hình 3.3 Phân tích phổ THD dịng điện nguồn Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống có lọc tích cực Hình 3.5 Dạng dịng điện có lọc tác động Hình 3.6 Phân tích phổ dịng điện pha A có lọc tác động Hình 3.7 Cơng suất phản kháng có lọc Hình 3.8 Hệ số cosφ có lọc 72  Khâu tạo xung cho biến đổi: Để thực chức tạo xung SVM, ta phải chọn sector Hình 2.24: Khâu chọn sectơ 73 Bước cuối chọn vectơ điều chế: Hình 2.25: Chọn véc tơ 2.3.3 Khâu tính tốn độ méo dạng (THD) Hình 2.26: Khâu tính tốn độ méo 74 2.3.4 Khâu lấy tín hiệu đo dịng điện điện áp ba pha Hình 2.27: Khâu lấy tín hiệu 2.3.5 Khâu đo dịng điện Hình 2.28: Khâu đo dịng điện 75 Kết luận: Nội dung chương thiết kế lọc tích cực song song dựa lý thuyết p-q Vấn đề xem xét làm tính tốn dịng bù để loại bỏ sóng hài bậc cao bù cơng suất phản kháng cho lưới Việc tiến hành xây dựng lọc đề xuất phần hồn tồn thực nhờ vào phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử công suất vi điện tử Đặc biệt phát triển DSP Các kết mô điều khiển trình bày nội dung chương ba 76 CHƯƠNG III: MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG HỆ CĨ TÁC DỤNG LỌC TÍCH CỰC Trong thiết kế hệ điều khiển, phương pháp mơ có vai trị quan trọng Nhờ có phương pháp mà người thiết kế mơ quan sát hoạt động hệ thống tính ổn định, bền vững Mô công cụ giúp có hình ảnh trực quan đối tượng nghiên cứu, từ có đánh giá tính đắn lý thuyết mơ hình xây dựng Đặc biệt vấn đề xây dựng, cần kiểm tra hoạt động trước đưa vào ứng dụng hay đối tượng nghiên cứu mà ta khơng có điều kiện kiểm nghiệm thực tế Như mô bước việc xây dựng luật điều khiển trình thiết kế, chế tạo Chỉ kết mô đạt tiêu chất lượng đề tiến hành thử nghiệm mơ hình thực nghiệm hay chế tạo thử Do việc mơ có tác dụng hạn chế tổn thất xảy thử nghiệm sai sót thiết kế Trong chương 2, ta xây dựng lọc tích cực dựa lý thuyết p-q thực phầm mềm Matlab/Simulink Trong chương này, để đánh giá kết lọc ta tiến hành khảo sát trường hợp hệ thống lưới điện trước sau có lọc 77 3.1 Mơ hình hóa mơ tải phi tuyến Hình 3.1: Mơ hình mơ tải phi tuyến 78  Kết mơ - Dạng dịng điện tải phi tuyến: Hình 3.2: Dạng dịng điện nguồn Hình 3.3 Phân tích phổ THD dịng điện nguồn 79 Kết thu sau mơ phỏng, ta thấy : - Dạng dịng điện nguồn khơng cịn dạng hình sin - Độ méo dạng dịng điện THD = 25.14% - Các sóng điều hịa bậc cao ảnh hưởng chủ yếu bậc: 5,7,11,13,17,19 Tỉ lệ so với sóng bản: Bậc điều hịa 11 13 17 19 - Giá trị dòng điều hòa Icb = 943 A Tỉ lệ % 21,52% 9,59% 6.31% 4,10% 2,34% 1,78% - Công suất phản kháng Q = 500 KVAr - Hệ số công suất cosφ = 0.74 Nhận xét: Các thành phần sóng điều hịa bậc cao không đạt theo tiêu chuẩn IEC- 1000-3-4, hệ số cơng suất thấp độ méo dạng dịng điện lớn 80 3.2 Mơ hình hóa hệ thống có lọc tích cực tham gia Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống có lọc tích cực 81  Kết mơ phỏng:  Dạng dịng điện nguồn trước sau tác động: Hình 3.5: Dạng dịng điện có lọc tác động  Phân tích phổ dịng điện nguồn: Hình 3.6: Phân tích phổ dịng điện pha A có lọc tác động 82  Công suất phản kháng trước sau bù Hình 3.7: Cơng suất phản kháng có lọc  Hệ số cơng suất trước sau bù Hình 3.8: Hệ số cosφ có lọc  Kết mơ thu được: - Dịng điện nguồn dạng hình sin Độ méo dạng dịng điện THD = 1.76%, sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng chủ yếu bậc: 5,7,11,13,17,19 Tỉ lệ so với sóng bản: Bậc điều hịa Tỉ lệ % 0,71% 0,24% 11 0,99% 13 0.87% 17 0,47% 19 0,12% 83 Các thành phần đạt tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 - Công suất phản kháng trung bình trước bù 500KVAr, sau bù công suất phản kháng dao động quanh điểm không - Hệ số cosφ trước bù trung bình 0.73 Sau bù, hệ số cosφ =1 3.2 Kết luận chung: Cấu trúc luận văn gồm chương : Chương : Đưa khái niệm sóng hài, ảnh hưởng sóng hài, vai trị mạch lọc tích cực việc loại bỏ sóng hài lưới điện phương pháp điều khiển mạch lọc tích cực song song áp dụng cho tải pha Chương : Xây dựng lọc tích cực cấu trúc mơ hình mơ mơi trường simulink phần mềm Matlab Chương : Khảo sát kết đáp ứng mạch lọc kết luận chung 3.3.1 Đánh giá nhiệm vụ : Nhiệm vụ luận văn nghiên cứu lọc tích cực bù công suất phản kháng cho phụ tải phi tuyến lưới điện hạ áp Với kết trình bày, đánh giá cách chủ quan nhiệm vụ luận văn hoàn thành, thể đặc điểm sau : - Đã xây dựng thành công phương pháp điều khiển mạch lọc tích cực song song pha, xây dựng thành cơng mơ hình mơ hệ thống mạch lọc simulink/ Matlab - Dựa mơ hình mơ thiết lập, mô thành công đáp ứng mạch lọc, cụ thể khảo sát đáp ứng đại lượng quan trọng: dòng điện nguồn mạch lọc tác dụng; công suất phản kháng Q mạch lọc phát lên lưới công suất phản kháng Q nguồn tác động bù công suất mạch lọc; hệ số công suất nguồn tác động mạch lọc 84 3.3.2 Tính khả thi đề tài Với việc xây dựng thành công mơ hình mơ lọc tích cực song song pha môi trường Simulink Matlab, thấy hồn tồn triển khai xây dựng mơ hình thực tế 3.3.3 Những vấn đề tồn hướng phát triển : Do số nguyên nhân chủ quan khách quan, số tồn cần giải sau : - Giả thiết nguồn cấp cho hệ thống lý tưởng, bỏ qua độ méo dạng nguồn điện áp - Tổn hao nghịch lưu chưa xem xét, tồn cần giải nhằm nâng cao hiệu suất chất lượng mạch lọc Các vấn đề nêu cần phải có đầu tư nghiên cứu cách chuyên sâu để hoàn thiện triển khai mơ hình thực tế 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Thị Hiền (1996), Truyền động điện, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Thị Hiền (1996), Điều chỉnh tự động truyền động điện, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh(2000), Hệ phi tuyến, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (1997), Cơ sở Truyền động điện, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung(2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang(2005), Matlab & Simulink, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh Park KI-WON, A Review of ACTIVE POWER FILTERS, R&D Center – POSCON H Abaali, M T Lamchich, M Raoufi, Shunt Power Active Filter Control under Non Ideal Voltages Conditions, International Journal of Information Technology Volume Number 10 Edson H.Watanabe*, Maurício Aredes* - Hirofumi Akagi+, THE P-Q THEORY FOR ACTIVE FILTER CONTROL: SOME PROBLEMS AND SOLUTIONS, Federal University of Rio de Janeiro – Brasil*, Tokyo Institute of Technology – Japan+ 86 11 H AKAGI, Modern active filters and traditional passive filters, Tokyo, Japan 12 M.V Aware, A.G Kothari and S.S Bhat, Power factor improvement using active filter for unbalanced three-phase non-linear loads, Visvesvaraya National Institute of Technology – India 13 Mark McGranaghan, ACTIVE FILTER DESIGN AND SPECIFICATION FOR CONTROL OF HARMONICS IN INDUSTRIAL AND COMMERCIAL FACILITIES, Electrotek Concepts, Inc Knoxville TN, USA 14 Emílio F Couto, Júlio S Martins, João L Afonsosimilation, Results of a shunt active with control base on p-q theory, University of MinhoPortugal 15 David M.E Ingram and Simon D Round, A Fully Digital Hysteresis Current Controller for an Active Power Filter, University of Canterbury New Zealand 16 TAN PERNG CHENG, A SINGLE-PHASE HYBRID ACTIVE POWER FILTER WITH PHOTOVOLTAIC APPLICATION, UNIVERSITI TEKNOLOGI- MALAYSIA ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -ĐỖ NGUYÊN HƯNG NGHIÊN CỨU LỌC SÓNG BẬC CAO VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN CỦA LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN HẠ THẾ CHUYÊN... bù công suất phản kháng Công suất phản kháng cung cấp cho tải tiêu thụ không thiết phải lấy từ nguồn, sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng điểm tiêu thụ tránh phải truyền tải lượng công suất. .. định lựa chọn thực đề tài Nghiên cứu lọc sóng bậc cao bù công suất phản kháng cho phụ tải phi tuyến lưới điện hạ Tôi xin cam đoan luận văn thực thân hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, với tài liệu