Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọn sóng hài cho bộ lọc tích cực LCL

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - MAI TRƯỜNG VIỆT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN LỌC LỰA CHỌN SÓNG HÀI CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC LCL Chuyên ngành: Điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS Bùi Quốc Khánh Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp có đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọn song hài cho lọc tích cực LCL” em thực hướng dẫn củaPGS.TS Bùi Quốc Khánh.Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài TLTK dẫn cuối sách em đảm bảo khơng chép cơng trình TKTN người khác.Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Học viên Mai Trường Việt Mục Lục Mục Lục DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN LỌC TÍCH CỰC BA PHA 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các nguồn phát sinh ảnh hưởng sóng hài bậc cao 1.2.1 Các nguồn phát sinh sóng hài bậc cao 1.2.2 Ảnh hưởng sóng hài bậc cao 11 1.3 Các tiêu chuẩn chất lượng điện 12 1.4 Cấu trúc mạch lực mạch lọc tích cực ba pha 13 1.5 Các phương pháp tính tốn lượng đặt cho thành phần sóng hài 15 Chương TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO MẠCH LỌC VỚI DÒNG HIỆU DỤNG 100A 17 2.1 Thiết kế trang bị điện tủ lọc tích cực có dịng hiệu dụng 100A 17 2.1.1 Các phần tử đóng cắt 17 2.1.2 Tính chọn module công suất 18 2.2 Tính tốn tụ điện chiều lựa chọn điện trở nạp tụ 20 2.3 Thiết kế mạch đo 22 2.4 Tính toán lựa chọn mạch lọc LCL 23 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý 23 2.4.2 Tính chọn mạch lọc LCL 23 Mục Lục Chương XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN LỌC TÍCH CỰC BA PHA… 26 3.1 Cấu trúc điều khiển lọc tích cực ba pha 26 3.2 Mạch vịng khóa pha PLL 27 3.2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 28 3.2.2 Thiết kế điều khiển cho vịng khóa pha PLL 29 3.3 Mạch vòng điều chỉnh nghịch lưu nguồn áp chế độ chỉnh lưu tích cực 32 3.3.1 Vòng điều khiển dòng điện 32 3.3.2 Thiết kế điều khiển điện áp chiều 36 3.4 Tính tốn lượng đặt cho thành phần sóng hài 37 3.4.1 Khâu phát sóng hài 37 3.4.2 Kiểm chứng khối phát sóng hài ( Harmonic Dectection ) 38 3.4.3 Bộ điều khiển cho thành phần sóng hài bậc cao 41 Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LỌC TÍCH CỰC BA PHA… 46 4.1 Tham số mô 46 4.2 Kiểm chứng mạch vòng điều khiển cho thành phần sóng hài bậc cao 47 4.3 Kiểm chứng vòng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực 49 4.4 Mơ kiểm chứng tồn hệ thống lọc tích cực ba pha 52 Kết luận…… 558 TÀI LIỆU THAM KHẢO 560 PHỤ LỤC… 60 Các ph p chu ển đổi hệ trục tọa độ 60 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Cấu trúc hệ thống lọc tích cực 14 Hình 2-1 Nguyên lý mạch driver sử dụng HCPL 316J 19 Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 19 Hình 2-3 Sơ đồ lắp đặt tụ 21 Hình 2-4 Mạch đo sử dụng INA129/128 22 Hình 2-5 Cấu trúc lọc LCL 23 Hình 3-1 Cấu trúc điều khiển lọc tích cực cấu hình đo dịng nguồn 26 Hình 3-2 Cấu trúc vịng khóa pha 28 Hình 3-3 Mơ hình khối vịng khóa pha 29 Hình 3-4 Đồ thị bode hệ hở 31 Hình 3-7 Mạch vịng điều khiển dòng điện trục d – q 35 Hình 3-8 Đồ thị Bode Hk với Kp thay đổi 36 Hình 3-9 Mơ hình khối phát sóng hài 38 Hình 3-10 Đồ thị bode lọc 38 Hình 3-11 Cấu trúc kiểm chứng khối phát sóng hài 39 Hình 3-12 Tín hiệu xếp chồng thành phần – thể Scope 40 Hình 3-13 Tín hiệu sau lọc – tín hiệu Scope 40 Hình 3-14 Tín hiệu xếp chổng thành phần điều hịa bậc cao – tín hiệu Scope 41 Hình 3-15 Đồ thị bode điều khiển 43 Hình 3-16 Đáp ứng tần số mạch kín với Kp thay đổi 44 Hình 4-1 Cấu trúc mô kiểm chứng cho điều khiển sóng hài bậc cao 47 Hình 4-2 Dòng điện lưới sau lọc kiểm định 48 Hình 4-3 Phổ sóng hài sau lọc 49 Hình 4-4 Cấu trúc kiểm tra thuật tốn điều khiển cho vịng chỉnh lưu tích cực 50 Hình 4-5 Dịng điện nạp tụ 50 Hình 4-6 Đáp ứng điện áp tụ 51 Danh mục hình vẽ Hình 4-7 Dòng Id - Iq 51 Hình 4-8 Cấu trúc mơ tồn hệ thống APF 52 Hình 4-9 Khối điều khiển 53 Hình 4-10 Dịng điện phía tải 53 Hình 4-11 Phân tích phổ dòng điện nguồn chưa lọc 54 Hình 4-12 Dịng điện cần bù 54 Hình 4-13 Dịng đầu nguồn sau bù thời gian độ 55 Hình 4-14 Dịng điện phía nguồn xác lập 55 Hình 4-15 Phổ dịng điện nguồn sau bù 56 Hình 4-16 Đáp ứng điện áp tụ 56 Hình 4-17 Điện áp dây đầu nghịch lưu 57 Danh mục hình vẽ DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1-1 ác ậc s ng h i v hệ số m o D đ n hu nh quang 10 Bảng 1-2 Giới thiệu nhiễu điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519 12 Bảng 1-3 Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519 13 Bảng 2-1 Thống số kỹ thuật van CM400HA-34H 18 Bảng 2-2 Tham số tính tốn thực tế lựa chọn cho bộc lọc LCL 25 Bảng 4-1 Bảng tham số mô 46 Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, phát triển đất nước yêu cầu mở rộng, nâng cao chất lượng sản xuất thúc đẩy phát triển lĩnh vực điện tử công suất - lĩnh vực đảm nhiệm giải vấn đề lượng, chất lượng nguồn cung cấp với kỹ thuật cao Hịa nhịp với phát triển đó, học kỳ em phân công thực đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọn song hài cho lọc tích cực LCL” với mục tiêu bù số thành phần sóng hài cho chỉnh lưu cầu ba pha với tải điện trở cuộn cảm – cụ thể bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 Nội dung đồ án gồm phần sau: - Tổng quan lọc tích cực a pha - Tính tốn mạch lực - Xây dựng hệ thống điều khiển - Mô kiểm chứng i đặt thực nghiệm Được hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh.Luận văn em hoàn thiện hạng mục định Do thời gian làm đồ án ngắn khả hạn chế, chắn cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận đóng góp thầy bạn nội, ng y 25 tháng năm 2015 ọc viên thực Mai Trường Việt Chương Tổng quan lọc tích cực ba pha Chương TỔNG QUAN LỌC TÍCH CỰC BA PHA 1.1 Đặt vấn đề Xã hội ngày phát triển, đời sống người hoạt động sản xuất ngày yêu cầu thiết bị khoa học kỹ thuật tiên tiến Đồng nghĩa với việc khơng nhu cầu sử dụng lượng điện ngày tăng cao mà yêu cầu chất lượng điện ngày tốt Tuy nhiên thực tế hệ thống điện có nhiều thiết bị điện phát sinh dòng điện phi tuyến – tổng hợp nhiều bậc sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng cục đến chất lượng điện năng, trực tiếp gây ảnh hưởng đến thiết bị sử dụng điện khác lưới điện làm giảm tuổi thọ chất lượng làm việc thiết bị điện Đã có nhiều phương pháp đưa để giảm bớt ảnh hưởng tiêu cực sóng hài áp dụng vào thực tế ví dụ lọc thụ động, lọc tích cực.Tuy nhiên với đặc điểm trội, khả làm việc hiệu lọc lọc tích cực (Active Filter ) khả nănggiải nhược điểm loại lọc truyền thống khác làm cho ngày quan tâm bắt đầu có thành tựu Trên giới naycó nhiều hãng nghiên cứu, phát triển lọc tích cực có khả làm cho dịng điện đạt tiêu chuẩn đặt nay.Trên giới có nhiều tiêu chuẩn nhằm quy định lượng sóng hài phép tồn lưới tiêu chuẩn IEEE std 519, IEC 100-3-4 1.2 Các nguồn phát sinhvà ảnh hưởng sóng hài bậc cao 1.2.1 Các nguồn phát sinh sóng hài bậc cao - Máy biến áp : tượng bão hòa mạch từ máy biến áp sinh sóng hài bậc cao Khi biên độ điện áp từ thông đủ lớn để rơi vào vùng khơng tuyến tính đường cong B-H dẫn đến dòng điện từ bị méo sản sinh sóng điều hoa bậc cao Ngồi máy biến áp gây sóng điều hịa bậc cao vận hành điện áp cao điện áp định mức Chương Tổng quan lọc tích cực ba pha - Các nguồn sóng hài tạo tất tải phi tuyến Các phần tử phi tuyến điển hình có hệ thống lưới điện l i thép M A, thiết bị điện tử công suất sử dụng van bán dẫn diode, thyristor chỉnh lưu, nghịch lưu, UPS… , lò hồ quang điện, lò nấu thép, lị tơi cao tần, đ n điện tử… - Động cơ: tương tự M A, động xoay chiều hoạt động sinh sóng điều hịa bậc cao Các sóng điều hịa bậc cao phát sinh máy điện quay liên quan chủ yếu tới biến thiên từ trở gây khe hở roto stato Các máy điện đồng sản sinh sóng điều hịa bậc cao dạng từ trường, bão hịa mạch chính, đường rị dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng - Đ n huỳnh quang: đ n huỳnh quang sử dụng rộng rãi có ưu điểm tiết kiệm chi phí Thực tế loại đ n khơng hiệu tạo ánh sáng với đ n dây đốt, điểm trội độ sáng trì thời gian dài, tuổi thọ lớn Tuy nhiên sóng điều hịa bậc cao sinh đ n huỳnh quang lớn Bảng 1-1.Các bậc sóng hài hệ số méo IHD đ n huỳnh quang Các bậc sóng hài h k hệ số méo thành phần IHD đ n huỳnh quang h(k) IHD (%) h(k) IHD (%) h(k) IHD (%) - 16 0,3 100 3,2 17 0,8 0,3 10 0,1 18 0,5 13,9 11 2,2 19 1,4 0,3 12 0,3 20 0,4 10 Chương Kết mô cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Hình 4-2.Thành phần sóng hài chưa lọc Hình 4-3.Dịng điện lưới sau lọc kiểm định 48 Chương Kết mơ cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Hình 4-4 Phổ sóng hài sau lọc Nhận xét: - Quá trình bù làm hệ số THD giảm từ 24,71% xuống 4,09% - Thời gian xác lập T = 0.1s - Hệ thống ổn định q trình mơ Kết luận: từ kết kiểm chứng mạch vòng điều chỉnh cho thành phần sóng hài bậc cao hồn tồn có khả cài đặt vào thực tế 4.3 Kiểm chứngvòng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực Trong q trình hoạt động lọc tích cực ba pha diễn hai trình chủ yếu nạp lượng cho tụ bù thành phần điều hịa bậc cao Q trình nạp lượng cho tụ diễn qua hai giai đoạn: giai đoạn chỉnh lưu tự nhiên qua cầu van diode IGBT giai đoạn nạp tụ sau kết thúc q trình nạp tự nhiên – tạm gọi trình nạp tụ cưỡng Việc áp dụng thuật tốn đóng cắt cho mạch nghịch lưu ba pha cho phép nạp tụ với dòng điện hình sine – khơng cịn dạng chỉnh lưu không điều khiển 49 Chương Kết mô cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Kiểm chứng kết cho vịng chỉnh lưu tích cực thực cấu trúc sau: AC Line LCL PLL e iFa e j e Vdc* BĐK điện áp tụ iF BĐK dòng iFb vF* SVM S a ,b , c Vdc Hình 4-5.Cấu trúc kiểm tra thuật tốn điều khiển cho vịng chỉnh lưu tích cực Hình 4-6.Dịng điện nạp tụ 50 Chương Kết mô cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Hình 4-7.Đáp ứng điện áp tụ Hình 4-8 Dịng Id - Iq Nhận xét : 51 Chương Kết mô cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha - Giá trị điện áp ổn định giá trị đặt - Thời gian độ 3% - Độ điều chỉnh - Từ kết kiểm chứng nhận thấy việc thiết kế điều khiển cho vòng điều khiển điện áp tụ hồn tồn đắn hồn tồn có khả cài đặt xuống vi xử lý 4.4 Mô kiểm chứng tồn hệ thống lọc tích cực ba pha Sau kiểm chứng độc lập hai trình : chỉnh lưu tích cực vịng điều khiển cho thành phần sóng hài bậc cao cho kết tốt, có tính khả thi cao tiến hành mơ kiểm chứng tồn hệ thống lọc tích cực ba pha Cấu hình mơ lọc tích cực ba pha với cấu hình đo dịng phía lưới: Hình 4-9.Cấu trúc mơ tồn hệ thống APF 52 Chương Kết mô cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Hình 4-10.Khối điều khiển Hình 4-11.Dịng điện phía tải 53 Chương Kết mơ cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Hình 4-12.Phân tích phổ dịng điện nguồn chưa lọc Hình 4-13.Dịng điện cần bù 54 Chương Kết mô cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Hình 4-14.Dịng đầu nguồn sau bù thời gian q độ Hình 4-15.Dịng điện phía nguồn xác lập 55 Chương Kết mô cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Hình 4-16.Phổ dịng điện nguồn sau bù Hình 4-17.Đáp ứng điện áp tụ 56 Chương Kết mơ cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Hình 4-18.Điện áp dây đầu nghịch lưu Nhận xét: - Hệ thống hoạt động ổn định - Khi có mạch có mạch lọc tác dụng hiệu bù thể hệ số THD từ 24% (Hình 4-11) xuống 4.32% (Hình 4-15) đạt mục tiêu đề - Độ điều chỉnh mạch vòng điều khiển điện áp 4,28% Thời gian độ 0.3s 57 Kết luận Kết luận Dưới hướng dẫn thầy giáo GS.TS Bùi QuốcKhánhvà với cố gắng thân em thu nhận số kết định.Tuy nhiên, để giải vấn đề kỹ lưỡng cịn nhiều vấn đề cần giải Trong trình thiết kế phần cứng tiến hành thực nghiệm vi xử lý em nhận công việc thiết kế, triển khai thực nghiệm không đơn giản chạy hay khơng, mà bên cạnh phải quan tâm đến vấn đề khác vấn đề an toàn sử dụng, thiết kế đơn giản cho người vận hành quan trọng hết vấn đề chạy ổn định hay không Việc thiết kế, lựa chọn cấu trúc cần phải đảm bảo hệ thống phải chạy ổn định, phòng trừ vấn đề khơng mong muốn xảy ra,cụ thể giả sử mạch có ic bị hỏng trước hết cách thiết kế phải đảm bảo cố không gây ảnh hưởng nguy hiểm lên hệ thống Việc thiết kế lập trình phần mềm cho lọc tích cực pha cần phải lập trình dễ hiểu thuận tiện cho trình chỉnh định sau Nghiên cứu chế tạo chỉnh lưu tích cực ba pha không mang lại cho em kiến thức điện tử cơng suất mà cịn kiến thức lập trình, an tồn hệ thống, kỹ phân tích, thiết kế tích hợp hệ thống Bản đồ án hoàn thành vấn đề sau: - Đã nghiên cứu cấu trúc điều khiển tiến hành mơ kiểm chứng thuật tốn điều khiển với cấu hình đo dịng nguồn Hướng phát triển: - Lập trình tồn chương trình cho lọc tích cực - Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển với thuật toán - Khảo sát , ứng dụng điều khiển số khác lên lọc tích cực pha 58 Kết luận Một lần em xin gửi đến thầy giáo PGS.TS.Bùi Quốc Khánh cảm ơn chân thành góp ý dạy tận tình dành cho em trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2015 Học viên thực Mai Trường Việt 59 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Minh, “Giáo trình điện tử công suất” [2] Trần trọng Minh, “ áo cáo tổng kết đề tài KC03 nghiên cứu chế tạo lọc tích cực ba pha” [3] Square D - Product Data Bulletin , “Power System armonics auses and Effects of Variable Frequency Drives Relative to the IEEE 519-1992 Standard”, Bulletin No 8803PD9402, August, 1994 [4] Nguyễn Duy Thức, “Thiết kế chỉnh định tham số cho vịng khóa pha PLL cho lọc tích cực a pha” [5] Gonzalo Sandoval & John Houdek, “A Review of Harmonic Mitigation Techniques”, [6] Mikko Routimo, “Developing a Voltage-Source Shunt Active Power Filter for mproving Power Quality”, Tampere University of Technology, 2008 [7] Cristian Lascu, Lucian Asiminoaei, “ High Performance Current Controller for Seclective Harmonic Compensation in Active Power Filters” [8] C.Sankaran, “ Power Quality” [9] Alejandro Gomez Yepes, “ Digital Resonant Current Controllers For Voltage Source Converters.” 60 Phụ lục PHỤ LỤC Các ph p chu ển đổi hệ trục tọa độ - Các phép chuyển đổi từ hệ trục tọa độ abc    dq Công thức chuyển đổi từ hệ trục tọa độ abc    1   u  2    u   0   u  a    u   b    uc  2  Công thức chuyển đổi từ hệ tọa độ   dq u   cos( )  d uq    sin( )    sin( )  u    cos( ) u  Công thức chuyển đổi từ hệ tọa độ abc  dq  2 2  u  ud   cos( ) cos(  ) cos(  )   a   ub     u  q    sin( )  sin(  2 )  sin(  2 )  u   3   c  - Các công thức chuyển đổi từ hệ trục tọa độ dq    abc Công thức chuyển đổi từ hệ tọa độ dq   u  cos( )   u   sin( )     sin( ) ud  cos( )  uq  Công thức chuyển đổi từ hệ tọa độ   abc 61 Phụ lục   ua      ub      uc          u     u  3   2 Công thức chuyển đổi từ hệ tọa độ dq  abc    cos( )  sin( )  ua    2 2  u     ub   cos(  )  sin(  )  u    uc        cos(  )  sin(  )   3  Góc  cơng thức chuyển đổi hệ trục tọa từ công thức A.1 đến cơng thức A.6 góc hệ trục tọa độ dq  62 ... thực đồ án tốt nghiệp với đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọn song hài cho lọc tích cực LCL? ?? với mục tiêu bù số thành phần sóng hài cho chỉnh lưu cầu ba pha với tải điện... văn tốt nghiệp có đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọn song hài cho lọc tích cực LCL? ?? em thực hướng dẫn củaPGS.TS Bùi Quốc Khánh.Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài... bậc cao vòng cho điều khiển nạp tụ 45 Chương Kết mô cấu trúc điều khiển lọc tích cực pha Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LỌC TÍCH CỰC BA PHA 4.1 Tham số mơ Q trình mơ hệ thống xuyên