ĐÁNH GIÁ SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG BỘ LỌC TÍCH CỰC

Trong trường hợp điện áp nguồn ba pha không cân bằng (điện áp pha B và pha C đều giảm xuống 18% so với điện áp định mức) và tải phi tuyến có chứa họa tần dòng điện bậc 5 và bậc 7, vận [r]

ĐÁNH GIÁ SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG BỘ LỌC TÍCH CỰC

Đặng Ngọc Khoa, Hồ Vũ Đức Thắng, Văn Tấn Lượng*

Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM

*Email: luongvt@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 22/9/2020; Ngày chấp nhận đăng: 04/12/2020

TÓM TẮT

Lọc tích cực trở thành cơng nghệ để bù họa tần dòng điện điện áp cho lưới phân phối ba pha có tải phi tuyến Bài báo trình bày cấu hình lọc tích cực (AF-Active Filter) ba pha ba dây chiến lược điều khiển dựa vào thành phần điện áp dịng điện Từ đó, ứng dụng AF nghiên cứu để cải thiện chất lượng điện lưới phân phối điện Các kết mô lọc tích cực song song, lọc tích cực nối tiếp lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động trường hợp tải phi tuyến so sánh đánh giá để thấy khả vượt trội chúng Bộ lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động thể đáp ứng vận hành tốt thơng qua việc vừa điều khiển bù họa tần dịng điện bù điện áp lưới triệt để có sụt áp lưới tải phi tuyến

Từ khóa: Bộ lọc tích cực, điều hịa chất lượng điện đồng nhất, bù họa tần dòng điện bù điện áp, chất lượng điện

1. GIỚI THIỆU

suất phản kháng, cân tải bù dịng trung tính liên quan đến tải tuyến tính phi tuyến giới thiệu [6-11]

Gần đây, loại tải ba pha bao gồm chỉnh lưu ba pha dùng diode sử dụng rộng rãi truyền động công nghiệp Các loại tải tạo họa tần dòng điện bậc lẻ 6n ± (n = 1, 2, 3…) tần số vào lưới điện, gây ảnh hưởng nghiêm trọng làm giảm chất lượng điện hệ thống phân phối điện Do đó, lọc cơng suất tích cực phát triển để bù dịng điện họa tần nhằm cải thiện chất lượng điện Bài báo trình bày việc khảo sát tồn diện lọc tích cực ba pha ba dây, cấu hình khác lọc tích cực song song, lọc tích cực nối tiếp lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động, chiến lược điều khiển dựa lựa chọn thành phần điện áp hoặc/và dòng điện cân nhắc lựa chọn cho ứng dụng cụ thể giới thiệu Việc mô dùng phần mềm PSIM với lọc khác điều kiện tải phi tuyến hoặc/và sụt áp nguồn thực hiện, để từ thấy khả cải thiện chất lượng dòng điện hay điện áp lưới phân phối

2. BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG

Bộ lọc cơng suất tích cực kết nối với hệ thống lưới ba pha ba dây thể Hình Cấu hình mạch lọc tích cực nghịch lưu áp ba pha sử dụng IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) kết nối song song với tải phi tuyến điểm chung thông qua cuộn cảm LF Ngõ vào lọc tích cực nguồn áp DC ghép với

2 tụ điện có giá trị Tải phi tuyến thể chỉnh lưu áp ba pha dùng diode với ngõ kết nối với tải RLC

Sơ đồ khối điều khiển dòng điện tiêu biểu lọc tích cực thể Hình 2, điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) sử dụng để điều khiển dòng điện theo phương d q Như thể Hình 2, dòng điện tham chiếu ( *

de

i ) hệ tọa độ quay dqe (thành phần dòng điện bậc cao tham chiếu) sơ đồ có cách sử dụng lọc thơng thấp cho dịng điện tải Thành phần dòng điện bậc cao so sánh với dòng điện đo (iFde) từ ngõ vào lọc tích cực, sau qua PI Ngõ điều khiển dòng điện điện áp tham chiếu (v*Fde,v*Fqe), chuyển sang hệ tọa độ abc (vabc* ) sử dụng để điều chế độ rộng xung (PWM- Pulse-width modulation) để điều khiển lọc tích cực

Nguồn

iS,abc

S1 S3

S4 S2

LF

VS,abc Labc iL,abc

iF,abc

LL

RL

CL Tải phi tuyến

Vdc

Bộ lọc tích cực song song

a b

c Cdc1

Cdc2

Iabc

S1 S3

S4 S2

PI theo phương d

LF Labc iL,abc

IF,abc PI theo phương q iqe P WM Cdc1 LL

RL CL

Tải Phi Tuyến

-+ iqe -+ + -iFqe ide iFde RF

vds vqs iFds iFqs acrtan

ide iFqe

iFde

ids iqs

Vabc Nguồn dqs abc dqs abc dqs abc dqs dqe dqs dqe

Bộ lọc tích cực dqe

dqs dqs

abc Bộ lọc thông thấp

Cdc2

Vdc

a b

c

Hình 2. Sơ đồ khối điều khiển lọc tích cực song song [6, 7]

3. BỘ LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP

Trong chiến lược sử dụng để cải thiện chất lượng điện áp mạng phân phối, hệ thống lọc tích cực mắc nối tiếp chọn Hệ thống lọc tích cực mắc nối tiếp sơ đồ thích hợp hơn, đóng vai trị giữ điện áp tải giá trị định mức điện áp lưới giảm đột ngột Hệ thống lọc tích cực mắc nối tiếp bao gồm nghịch lưu nguồn áp (VSI-Voltage Source Inverter), lọc LC ngõ VSI biến áp cách ly kết nối nguồn tải Tỷ số máy biến áp nối tiếp 1:1 Thông thường, máy biến áp Y/Y sử dụng hệ thống phân phối hệ thống lọc tích cực nối tiếp dựa VSI ba chân ưu tiên sử dụng (Hình 3)

Sơ đồ khối điều khiển điện áp lọc tích cực nối tiếp thể Hình Điện áp cần bù (điện áp tham chiếu) tính cách lấy điện áp nguồn trước có sụt áp (vs,presag) trừ điện áp nguồn có sụt áp (vs) Điện áp tham chiếu (

*

c v ) điện áp đo (vc ) chuyển sang hệ tọa độ quay dqe so sánh với nhau, sai số điện áp đưa vào điều khiển PI Ngõ điều khiển điện áp tham chiếu (v*fde,v*fqe), chuyển sang hệ tọa độ abc ( *

abcf

v ) sử dụng để điều chế độ rộng xung để điều khiển lọc tích cực nối tiếp

ifa ifb ifc

C1

C2 vca vcb vcc

Tải phi tuyến isa isb isc vsa vsb vsc iLa iLb iLc Cf Lf Máy biến áp

Vdc1

Vdc2 S1 S3

S4 S2 ia ib ic L R C vLa vLb vLc

SVPWM

is

if

vc abc

Bộ điều khiển điện

áp PI theo

phương q +

+ abc

dq dq

vs

vs,presag

Điện áp cần bù

θ

-+

Bộ điều khiển điện

áp PI theo

phương d

-+

Hình 4 Sơ đồ khối điều khiển lọc tích cực nối tiếp [8]

4. BỘ LỌC TÍCH CỰC NỐI TIẾP KẾT HỢP VỚI BỘ LỌC THỤ ĐỘNG

Hình thể sơ đồ hệ thống lọc tích cực mắc nối tiếp với lọc thụ động mắc song song (PF) Các lọc thụ động LC dùng để điều chỉnh tần số họa tần bậc bậc đấu song song với tải Bộ nghịch lưu ba pha mắc nối tiếp với đường dây điện để bơm điện áp bồi hoàn (điện áp cần bù) Tỷ số máy biến áp nối tiếp 1:1 Tải chỉnh lưu diode ba pha có hai đặc tính nguồn họa tần loại điện áp loại dòng điện

ifa

ifb

ifc

C1

C2

vca vcb vcc

Tải phi tuyến isa

isb

isc

esa

esb

esc

iLa

iLb

iLc

Cf

Lf

Máy biến áp

Vdc1

Vdc2

S1 S3

S4 S2

ia

ib

ic

L R C

Lf-5

Cf-5

Lf-7

Cf-7

Bộ lọc thụ động

Bộ lọc tích cực nối tiếp

VLh

Hình Sơ đồ hệ thống điện dùng lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động [9]

Sơ đồ khối điều khiển lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động thể Hình 6, điện áp tham chiếu để bù điện áp nguồn (v*c) có sụt áp nguồn tính tương tự điện áp tham chiếu Hình Ngồi ra, điện áp tham chiếu để bù họa tần dòng điện nguồn tải phi tuyến ( *

h

v ) gây tính sau: vh*=Kvh(is1−is)+VLh (1)

Trong đó: is1và is thành phần dòng điện nguồn dòng điện

nguồn tức thời, Kvh hệ số tỷ lệ VLh điện áp lọc thụ động

vv* =vc*+vh* (2)

Ngõ điều khiển dòng điện điện áp tham chiếu điện áp sử dụng để điều chế độ rộng xung để điều khiển lọc tích cực nối tiếp

abc dqe Bộ điều khiển điện áp ` Bộ điều khiển dòng điện S P W M + -+ - + -+ -KU abc/ dqs tan -1 Ea,bal Eb,bal Ec,bal

VLa VlbVlc isaisbisc

eb

ea ec

Ea(+) Ec(+) Eb(+) Ea,bal Eb,bal Ec,bal Vva Vvb

Vvb Vcc

Vcb

Vca

Vha Vhb Vhc

+ + + + + + + -+ + + + -+ + + -Eds(+) Eqs(+) KU KU KU KU KU Kvh Kvh Kvh * * * * * * * * *

Điện áp tham chiếu để bù họa tần dòng điện

q

Điện áp tham chiếu để bù điện áp

isa

Hình Sơ đồ khối điều khiển dùng lọc tích cực nối tiếp kết hợp lọc thụ động [9]

5. MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Để xác minh tính hiệu chiến lược điều khiển đề xuất cho lọc tích cực ba pha ba dây, mơ hình mơ xây dựng dựa vào phần mềm PSIM Thông số lọc song song cung cấp sau: điện áp nguồn (Vll(rms)) 135V, điện áp

DC 420V, điện cảm mH công suất lọc 1,5kVA Thông số lọc nối tiếp thực mô sau: điện áp lưới (Vll(rms)) 127V, điện

áp DC 500V, điện cảm lọc mH, điện dung lọc 100 F công suất lọc 1,5kVA Thông số lọc tích cực nối tiếp kết hợp lọc thụ độngđược thực mô sau: điện áp lưới (Vll(rms)) 78V, điện áp DC

bằng 500V, điện cảm lọc tích cực 1,4 mH, điện dung lọc tích cực 10 F, điện cảm lọc thụ động bậc bậc 1,4 mH, điện dung lọc thụ động bậc 200 F bậc 100 F công suất lọc 1kVA Trong hệ thống mơ phỏng, mơ hình tải phi tuyến bao gồm chỉnh lưu ba pha diode kết nối với RLC phía ngõ Bộ lọc tích cực ba pha ba dây lắp đặt nguồn tải để bù dịng điện họa tần điện áp nguồn (lưới) Từ đó, dịng điện nguồn cung cấp trở nên hình dạng sin pha với điện áp nguồn

5.1 Bộ lọc tích cực song song

(THD-Total harmonic distortion) dòng điện lưới pha a trường hợp dùng lọc tích cực song song giảm xuống đáng kể cịn 5,1%, so với 50,5% khơng dùng lọc

Isa

ILa

a)

b)

Thời gian (s)

IFa

(c)

Tần số (Hz)

Isa 60 Hz

300 Hz 660Hz

(d)

Hình Kết mơ lọc tích cực song song

(a) Dịng điện nguồn pha a (Isa); (b) Dòng điện tải pha a (ILa);

(c) Dòng điện ngõ lọc (IFa); (d) FFT dòng nguồn pha a 5.2 Bộ lọc tích cực nối tiếp

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

esa esb esc

vc,a vc,b vc,c

vL,a vL,b vL,c

iL,a

iL,b iL,c

vqe

vde

Hình Kết mơ lọc tích cực nối tiếp trường hợp sụt áp nguồn pha cân tải phi tuyến: (a) Điện áp lưới; (b) Điện áp ngõ lọc; (c) Điện áp tải; (d) Điện áp ngõ theo phương d lọc; (e) Điện áp ngõ theo phương q lọc;

(f) Dòng điện tải

5.3 Bộ lọc tích cực nối tiếpkết hợp với lọc thụ động

kể THD dòng điện lưới pha A trường hợp dùng lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động giảm xuống đáng kể cịn 3,8%, so với 44% khơng dùng lọc

Hình Kết mơ lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động trường hợp áp nguồn ba pha không cân (sụt áp lưới) tải phi tuyến

(a) Dòng điện nguồn; (b) Điện áp tải; (c) FFT dòng điện nguồn

Bảng 1 So sánh chức lọc

Chức Tên lọc

AF song song AF nối tiếp AF nối tiếp kết hợp PF

Loại bỏ họa tần dòng điện x x

Loại bỏ họa tần điện áp x x

Bù sụt điện áp nguồn x x

Bù công suất phản kháng x x

6. KẾT LUẬN

Trong báo này, giải pháp điều khiển cải thiện chất lượng điện dùng lọc khác nghiên cứu Kết mô dùng phần mềm PSIM đưa để kiểm chứng tính vượt trội giải pháp Mỗi giải pháp điều khiển có ưu điểm khuyết điểm riêng Tuy nhiên, so với lọc tích cực song song nối tiếp, mơ hình điều khiển lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động vượt trội điều khiển để giữ dòng điện nguồn (lưới) điện áp tải gần hình sin, bất chấp cố điện áp lưới khơng cân tải phi tuyến Ngồi ra, lọc tích cực nối tiếp kết hợp với lọc thụ động nghiên cứu để sử dụng trường hợp lưới pha có sụt áp, méo dạng tải phi tuyến mở rộng để phát triển lưới pha dây

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Gruzs T M - A survey of neutral currents in three-phase computer power systems, IEEE Transactions on Industry Application 26 (1990) 719-725

2 Subjak Jr J S and Mcquilkin J S - Harmonics-causes, effects, measurements, analysis: An update, IEEE Transactions on Industry Application 26 (1990) 1034-1042

3 Amoli M E and Florence T - Voltage, current harmonic control of a utility system - A summary of 1120 test measurements, IEEE Transactions on Power Delivery 5

(1990) 1552-1557

4 Beides H M and Heydt G T - Power system harmonics estimation, monitoring, Electric Machine & Power Systems 20 (1992) 93-102

5 Emanuel A E., Orr J A., Cyganski D., and Gulchenski E M - A survey of harmonics voltages, currents at the customer’s bus, IEEE Transactions Power Delivery 8 (1993) 411-421

6. Trinh Q N and Lee H H - An advanced current control strategy forthree-phase shunt active power filters, IEEE Transactions Industrial Electronics 60 (12) (2013) 5400-5410

7 Nguyen N M D., Van T L., Tran H - Control scheme of active power filter using proportional-resonant plus repetitive controller, Journal of Science Technology and Food 18 (2) (2019) 144-155

9 Lee G.-M., Lee D.-C., and Seok J.-K - Control of series active power filters compensating for source voltage unbalance and current harmonics, IEEE Transactions Industrial Electronics 51 (1) (2004) 132-139

10 Trinh Q N and Lee H H - An advanced repetitive controller to improve the voltage characteristics of distributed generation with nonlinear loads, Journal of Power Electronics 13 (3) (2013) 409-418

11 Trinh Q N and Lee H H - Low cost and high performance UPQC with four-switch three-phase inverters, Journal of Electrical Engineering Technology 10 (3) (2015) 1015-1024

ABSTRACT

COMPARATIVE EVALUATION OF POWER QUALITY SOLUTIONS USING ACTIVE POWER FILTERS

Dang Ngoc Khoa, Ho Vu Duc Thang, Van Tan Luong*

Ho Chi Minh City University of Food Industry

*Email: luongvt@hufi.edu.vn

Active filtering has become a technology to compensate for current or voltage for a three-phase three-wire distribution network with nonlinear loads This paper presents active filter (AF) configurations and control strategies based on voltage or current components The simulation results of the parallel active filter, the series active filter, and the series active filter combined with the passive filters in the case of nonlinear loads are compared and evaluated to prove their superiority Accordingly, active series filters combined with passive filters give the best performance since they can compensate for both current harmonics and source voltage thoroughly regardless of both grid voltage drops and nonlinear loads