Nghiên cứu mạch lọc tích cực song song ba pha bốn dây sử dụng bộ nghịch lưu NPC ba bậc

i H c Qu c Gia Tp H Chí Minh TR NG I H C BÁCH KHOA −−−−−−−−−− TR N CÔNG HI N NGHIÊN C U M CH L C TÍCH C C SONG SONG BA PHA B N DÂY S D NG B NGH CH L U NPC BA B C Chuyên ngành: Thi t b , m ng nhà máy LU N V N TH C S TP H CHÍ MINH, tháng 12 n m 2008 n CƠNG TRÌNH TR NG C HỒN THÀNH T I I H C BÁCH KHOA I H C QU C GIA TP H CHÍ MINH Cán b h ng d n khoa h c: PGS TS NGUY N V N NH (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Cán b ch m nh n xét 1: …………………………………………………………………………… ………………………….………………………………… (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Cán b ch m nh n xét 2: …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… (Ghi rõ h , tên, h c hàm, h c v ch ký) Lu n v n th c s cb ov t iH I LU N V N TH C S TR NG NG CH M B O V I H C BÁCH KHOA, ngày …… tháng 12 n m 2008 TR NG H BÁCH KHOA TP.HCM C NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM PHÒNG ÀO T O S H c l p - T - H nh phúc Tp HCM, ngày 30 tháng 11 n m 2008 NHI M V LU N V N TH C S H tên h c viên: TR N CÔNG HI N Phái: Nam Ngày, tháng, n m sinh: 10/10/1980 N i sinh: T nh BR-VT Chuyên ngành: Thi t b , m ng nhà máy i n MSHV: 01806481 Khóa (n m trúng n): 2006 - 2008 I – TÊN TÀI: NGHIÊN C U M CH L C TÍCH C C SONG SONG BA PHA B N DÂY S D NG B NGH CH L U NPC BA B C II – NHI M V VÀ N I DUNG: Khái ni m sóng hài m ch bù l c tích c c B ngh ch l u áp M ch l c tích c c song song ba pha b n dây Xây d ng m ch l c matlab simulink Th c hi n mô ph ng ánh giá k t lu n III – NGÀY GIAO NHI M V : Ngày 21 tháng n m 2008 IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : Ngày 30 tháng 11 n m 2008 V – CÁN B H NG D N: Phó giáo CÁN B H NG D N (H c hàm, h c v , h tên ch ký) PGS TS NGUY N V N NH , ti n s NGUY N V N NH CH NHI M B MÔN QL CHUYÊN NGÀNH (H tên ch ký) - IC M i Nh ng N u tiên, xin chân thành c m n th y phó giáo s , ti n s Nguy n V n i tr c ti p h ng d n, ã ôn c, cung c p tài li u t n tình h ng d n th c hi n lu n v n Tôi xin chân thành c m n quý th y, cô khoa Bách khoa tp.HCM ã gi ng d y, h n- n t tr ng ng d n tơi su t q trình h c t i tr ih c ng trong th i gian th c hi n lu n v n v a qua Xin chân thành c m n q th y cơ, anh ch phịng t o t o Sau ã giúp , gi i áp nh ng v ih c ng m c v th t c hành cho tơi th i gian c v a qua Xin chân thành c m n n anh ch h c viên l p Thi t b , m ng nhà máy n khóa 2006-2008 ã chia s , cung c p tài li u óng góp nhi u ý ki n quý báu giúp tơi hồn thành b n lu n v n Cu i cùng, xin chân thành c m n gia ình, ng i thân, b n bè ã giúp , ng viên r t nhi u th i gian v a qua t l n n a, xin chân thành c m n c viên Tr n Công Hi n i - TÓM T T LU N V N Lu n v n trình bày v n gi i thu t liên quan n vi c mơ hình hóa xây d ng u n b l c tích c c song song ba pha b n dây, th ng n l c sóng hài bù cơng su t ph n kháng cho l Lu n v n c ng trình bày v n i ng pháp l c sóng hài Trình bày s l ph r ng xung sóng mang u ch n v sóng hài, nh h nguyên nhân m t s ph ng pháp c ng d ng Mơ hình tốn h c c a b l c tích c c ng c a sóng hài, c v b ngh ch l u u n b ngh ch l u a b c c xây d ng m t h tr c t a - -0 thuy t v công su t tác d ng kháng t c th i p-q theory, ng d ng v i t i phi n không cân b ng i k thu t cho th y có th u n bù l c cho dịng thành hình sin h s công su t ngu n x p x b ng m t cho dù dòng biên hay méo d ng Do m ch l c tích c c n ngu n tr n t i thay c n i song song v i l i i n nên ta có th d dàng bù l c cho h th ng t i t t c nh ng n i t i yêu c u u n dòng bù cho l i, b t o xung s tính tốn dịng n u c u c a it n áp dịng t i ba pha, sau ó qua m ch hi u ch nh so sánh v i sóng mang t o xung kích cho b ngh ch l u K t qu mô ph ng cho th y v i gi i thu t u n theo thuy t công su t tác d ng kháng t c th i p-q, dòng bám t t v i dòng n yêu c u c a t i cho dù dòng t i thay i biên n bù c ng nh méo d ng ii - CL C i cám n ………………………………………………………………… i Tóm t t lu n v n …………………………………………………………… ii c l c……………………………………………………………………… iii Ch ng 1: Sóng hài m ch bù l c tích c c………………………………… 1.1 Sóng hài……………………………………………………………………… 1.1.1 Các khái ni m v sóng hài :……………………………………………… 1.1.2 nh h ng nhi u hài dòng áp…………………………………… 1.1.2.1 Các nh h ng t c th i……………………………………………… 1.1.2.2 Các nh h ng dài lâu……………………………………………… 1.1.3 Các gi i h n tiêu chu n v hài………………………………………… 1.1.3.1 Gi i h n chung v sóng hài………………………………………… 1.1.3.2 Các tiêu chu n……………………………………………………… 1.1.4 Ngu n phát ho t n……………………………………………………… 1.1.4.1 Các b bi n i công su t…………………………………….…… 1.1.4.2 Chi u sáng………………………………………………………… 10 1.1.4.3 H quang…………………………………………………………… 10 1.1.4.4 Cu n kháng bão hoà……………………………………………… 11 1.1.4.5 Máy n quay……………………………………………………… 11 1.2 M ch bù l c tích c c song song……………………………………………… 12 1.2.1 Ph m vi công su t c a m ch l c tích c c………………………………… 13 1.2.1.1 Các ng d ng ph m vi công su t th p……………………………… 13 1.2.1.2 Các ph m vi ng d ng công su t v a…………………………… 13 1.2.1.3 Các ph m vi ng d ng công su t r t l n ………………………… 14 1.2.2 Các tham s bù m ch l c tích c c……………………………… 14 iii - 1.2.2.1 Bù công su t……………………………………………………… 14 1.2.2.2 Bù sóng hài 14 n áp……………………………………………… 1.2.2.3 Bù sóng hài dòng n…………………………………………… 14 1.2.2.4 Cân b ng ng áp dòng………………………………… 15 1.2.3 Phân lo i m ch l c tích c c…………………………………………… 15 il 1.2.3.1 Phân lo i theo b bi n 1.2.3.2 Phân lo i theo s i công su t …………………………… ……………………………………………… 15 16 1.2.4 Các c u hình c b n cho h th ng bù l c pha dây ………………… 17 Ch ng 2: B ngh ch l u áp………………………………………………… 19 2.1 T ng quan v b ngh ch l u áp …………………………………………… 20 2.1.1 B ngh ch l u áp……………………………………………………… 20 2.1.2 Phân lo i b ngh ch l u áp…………………………………………… 20 2.1.3 Các d ng c u trúc c b n………………………………………… … 21 2.1.3.1.C u trúc d ng Diode k p NPC …………………………………… 21 2.1.3.2.C u trúc dùng t 23 n thay i …………………………………… 2.1.3.3 C u trúc d ng ghép t ng (Cascade Inverter)…………………… 24 2.1.4 Nh n xét……………………………………………………………… 25 2.2 u n b ngh ch l u áp theo ph ng pháp u ch r ng xung sóng mang (Carrier based PWM)……………………………………………………………… 25 2.2.1 T ng quát v k thu t u ch r ng xung – PWM………………… 25 2.2.1.1 M t s ch tiêu ánh giá k thu t PWM c a b ngh ch l u……… 25 2.2.1.2 Các d ng sóng mang dùng k thu t PWM………………… 27 2.2.2 Ph 28 ng pháp u ch r ng xung Sin (Sin PWM)……………… 2.2.3 Ph ng pháp u ch r ng xung c i bi n……………………… 2.2.4 Ph ng pháp u n PWM theo dòng n……………………… 30 31 iv - 2.2.4.1 Ph ng pháp dùng m ch t o tr (hystereris current control)…… 2.2.4.2 Ph ng pháp u n dòng n s d ng khâu hi u ch nh PI (ramp comparison current control)……………… Ch ng 3: M ch l c tích c c song song ba pha b n ………………………… 3.1 Nguyên lý ho t 33 34 ng ………………………………………………………… 35 3.2 Mơ hình tốn h c m ch l c ………………………………………………… Ch 32 36 ng 4: Xây d ng mơ hình m ch l c tích c c ba pha b n dây s d ng b ngh ch l u ba b c Matlab- Simulink …………………………………… 38 4.1 S kh i h th ng m ch l c………………………………………………… 39 4.2 Các kh i ch c n ng c a h th ng m ch l c………………………………… 40 4.2.1 B ngu n xoay chi u pha …………………………………………… 40 4.2.2 Mơ hình t i phi n khơng cân b ng ………………………………… 41 4.2.2.1 T i pha - b ch nh l u c u pha diode ………………………… 42 4.2.2.2 T i pha ………………………………………………………… 43 4.2.3 B ngh ch l u áp a b c dùng diode k p……………………………… 44 4.2.4 B ch nh l u c p ngu n DC cho b ngh ch l u……………………… 45 4.2.5 Các khâu l y tín hi u…………………………………………………… 45 4.2.6 Khâu t o xung- pulse cho b ngh ch l u………………………….…… 4.2.6.1 Khâu chuyên t a 46 abc->αβ…………………………………… 48 4.2.6.2 khâu tính tốn cơng su t P, Q…………………………………… 49 4.2.6.3 M ch l c thông th p …………………………………………… 51 4.2.6.4 Khâu tính tồn dịng u c u h to αβ 52 4.2.6.5 Khâu tính tốn dịng u c u h to a,b,c …………… 53 v - 4.2.6.6 Khâu hi u ch nh tín hi u………………………………………… 54 4.2.6.7 Khâu so sánh t o xung óng ng t cho b ngh ch l u……………… 55 4.2.7 Khâu o l Ch ng tính tốn cơng su t P,Q………………………………… 55 ng 5: K t qu mô ph ng áp ng m ch l c……………………………… 57 5.1 Kh o sát s làm vi c c a h th ng m ch l c ch a tác ng……………… 58 5.2 Kh o sát áp ng c a m ch l c làm vi c v i t i phi n không i…… 61 5.3 Kh o sát áp ng c a m ch l c làm vi c v i t i phi n không i t th ………………………………………………………… …… … 5.4 Kh o sát áp áp ng c a m ch l c t i phi n thay 5.5 68 i……………… 73 méo d ng t ng sóng hài……………………………………………… 81 5.5.1 Khi góc kích b ng 00…………………………………………………… 82 5.5.1 Khi góc kích b ng 750…………………………………………………… 84 5.5.1 Khi góc kích b ng 1200………………………………………………… 86 5.5.4 T ng h p k t qu Ch méo d ng t ng sóng hài THD…………………… 88 ng 6: K t lu n…………………………………………………………… 89 6.1 T ng k t v n 6.2 Nh ng v n ã gi i quy t lu n v n…………………………… 89 t n t i h ng phát tri n c a tài………………………… 90 Tài li u tham kh o…………………………………………………………… 91 Ph l c…………………………………………………………………………… 94 I Các giá tr dòng n, n áp t i ch nh l u………………………………….… II áp ng m ch l c thay 94 i góc kích b ch nh l u t i………………… … 96 III áp ng m ch l c ngu n l i không cân b ng……………………… … 101 vi Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - CH NG SÓNG HÀI VÀ M CH BÙ L C TÍCH C C Ch ng trình bày khái ni m v sóng hài, nh h ng c a sóng hài, ngu n gây sóng h i… bi n pháp l c sóng hài C th : 1.1 Sóng hài 1.1.1 Các khái ni m v sóng hài 1.1.2 nh h ng nhi u hài dòng áp 1.1.3 Các gi i h n tiêu chu n v hài 1.1.4 Ngu n phát ho t n 1.2 M ch bù l c tích c c song song 1.2.1 Ph m vi công su t c a m ch l c tích c c 1.2.2 Các tham s bù m ch l c tích c c 1.2.3 Phân lo i m ch l c tích c c 1.2.4 Các c u hình c b n cho h th ng bù l c ba pha b n dây HVTH: Tr n Công Hi n Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - TÀI LI U THAM KH O TRÍCH D N [1] Nguy n V n Nh , “ Giáo trình i n t công su t 1”, NXB i h c Qu c gia TP.HCM, 2002 [2] Nguy n Phùng Quang, “Matlab Simulink”, NXB KHKT, Hà N i, 2004 [3] Nguy n c Thành, “Matlab ng d ng u n”, NXB ih c Qu c gia tp.HCM, 2004 [4] Nguy n V n Nh , Hong-Hee Lee, “ Generralied Carrier PWM Algorithms For Multilevel Inverters With Unbalance DC Voltage” [5] Nguy n V n nh , Hong-Hee Lee, “ Optimized Discontinuous PWM Algorithms With Variable Load Power Factor For Multilevel Inverters” [6] Nguy n V n Nh , Hong-Hee Lee, “ Theoretical Analysis Of Carrier PWM Algorithms For Multilevel Inverters With Unbalance DC Voltages” [7] Mauricio Aredes and Edson H Watanabe, “ New Coltrol Algorthms For Series And Shunt Three-Phase Foure-Wire Active Power Filters”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.10, No.3, July 1995 [8] João Afonso, Carlos Couto, Júlio Martins, “ Active Filters With Coltrol Based on the p-q Theory “, IEEE Industrial Electronics Society Newsletter vol 47, N0 3, Sept 2000, ISSN: 0746-1240, pp 5-10 [9] Jỗo Afonso*, Maurício Aredes+, Edson Watanabe+, Júlio Martins*, “ shunt Active Filter for Power Quality Improvement , Lisboa, Portugal, 1-4 Novembro 2000, pp 683-691 [10] H Akagi, Y Kanazawa, A Nabae, “Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase”, Circuits, IPEC'83 - Int Power Electronics Conf., Tokyo, Japan, 1983, pp 1375-1386 [11] H Akagi, Y Kanazawa, A Nabae, “Instanataneous Reactive Power Compensator Comprising Switching Devices without Energy Storage Compenents”, IEEE Trans Industry Applic., vol 20, May/June 1984 HVTH: Tr n Công Hi n 91 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - [12] Quin, C., Mohan, N., “Active Filtering of Harmonic Current in Three-Phase Four-Wire System With Three- Phase and Single-Phase Non- Linear Loads”, APEC, 1992, pp 892-836 [13] Nguy n V n Nh , Hong-Hee Lee, “ Carrier PWM Algorithms For Multileg Multilevel Inverter” [14] Nguy n V n Nh , M.-J Youn, “ Comprehensive Study on Space-Vector-PWM and Carrier- Based- PWM Correlation in Multilevel Inverters” [15] John N Chiason, Leon M Tolbert, Keith J Mc Kenzie and Zhong Du, “ A Complete Solution to The Harmonic Elimination Problem”, IEEE Transaction on Power Electronic Vol.19, N0.2, March 2004 [16] Jost Allmeling “ A coltrol structure for harmonics compensation in active filters”, IEEE Transaction on Power Electronic Vol.19, N0.2, March 2004 [17] Park Ki- Won, “ A Review of Active Power Filters”, R&D Center, Poscon, 2001.02.09 [18] Alfredo Nava- Segura and Gerardo Mino- Aguilar, “ Four- BranchesInverter- Based- Active- Filter for Unbalance 3-Phase 4-Wire Electrical Distribution Systems”, [19] Chen- Che Chen and Yuan- Yih Hsu, “ A Novel Approach to the Design of a Shunt Active Filter for an Unbalance Three-phase Four-wire System under Nonsinusoidal Conditions”, IEEE Transaction on Power Electronic Vol.15, N0.4, October 2000 [20] Marcelo Gradella Villala, Milton E de Olivera Filho and Ernesto Ruppert Filho,” Detailed Implementation of an Current Controller with 3D Space Vector for Four-Wire Active Filters” [21] S.J Chang, W.J Ai and F.J Lin, “ Parallel Operation of Capacity- Limited Three-Phase Four-Wire Active Power Filters”, IEEE Proc.- Electr Power Appl., Vol 149, No 5, September 2002 [22] Ning-Yi Dai, Man-Chung Wong and Ying- Duo Han, “ Application of a Three-level NPC Inverter as a Three-phase Four-Wire Power Quality Compensator HVTH: Tr n Công Hi n 92 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - by Generalized 3DSVM”, IEEE Transaction on Power Electronic Vol.21, N0.2, March 2006 [23] Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea Tilli, “ Four-Wire Shunt Active Filters: Optimized Design Methodology” IEEE 2003 [24] Nguy n V n Nh , Myung- Bok Kim, Gun- Woo Moon, Myung- Joong Youn, “ A Novel Carrier Based PWM Method in Three-phase Four-Wire Inverters” HVTH: Tr n Công Hi n 93 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - *PH L C I Các giá tr dòng i n, n áp t i ch nh l u Các giá tr dòng i n, n áp c a t i làm vi c v i t i khơng L= 1e-2H, Udc=250, góc kích =0 (hình PL.1 i R=5 , n PL.4) Hình PL.1: i n áp, dịng i n phía DC c a b ch nh l u c u ba pha Hình PL.2: Dịng i n phía AC c a b ch nh l u c u ba pha HVTH: Tr n Công Hi n 94 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - Hình PL.3: i n áp, dịng i n phía DC c a b ch nh l u c u m t pha Hình PL.4: Dịng i n phía AC c a b ch nh l u c u m t pha HVTH: Tr n Công Hi n 95 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - II áp ng m ch l c thay i góc kích b ch nh l u t i Hình PL.5: Dòng i n t i, ngu n m ch bù thay i góc kích HVTH: Tr n Công Hi n 96 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - Hình PL.6: Dịng trung tính t i, trung tinh ngu n thay Hình PL.7: Tr hi u d ng dịng t i ngu n thay i góc kích i góc kích HVTH: Tr n Công Hi n 97 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - Hình PL.8: i n áp dòng i n t i pha a, pha b c Hình PL.9: i n áp dịng i n ngu n HVTH: Tr n Công Hi n 98 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - Hình PL.10: Cơng su t t i, công su t ngu n công su t m ch bù thay góc kích i HVTH: Tr n Công Hi n 99 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - Hình PL.11: H s cơng su t t i, ngu n thay i góc kích HVTH: Tr n Công Hi n 100 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - III áp ng m ch l c ngu n l i không cân b ng Thi t l p mơ hình mơ ph ng: Cài - t tham s mô ph ng nh sau : Th i gian mô ph ng : Simulation time/Stop time = 0.1 s Khâu control- i u n th i m m ch l c n i v i h th ng c t v i th i m tác ng 0s Các giá tr R, L c a t i nh v i nhánh th ng tr c có R=5 , L= 1e-2H, Udc=250V Giá tr n áp ngu n xoay chi u pha Upha a-RMS=220V, Upha bRMS=200V, Upha c-RMS = 180V, K t qu kh o sát áp ng c a m ch l c ngu n không cân b ng nh sau: 400 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình PL.12: i n áp ngu n ba pha không cân b ng HVTH: Tr n Công Hi n 101 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - 60 40 20 -20 -40 -60 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 60 40 20 -20 -40 -60 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 Hình PL.13: Dòng i n t i, dòng i n ngu n dòng i n m ch bù HVTH: Tr n Công Hi n 102 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - 40 35 30 25 20 15 10 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 35 30 25 20 15 10 Hình PL.14: Tr hi u d ng dòng t i dòng ngu n 2.5 x 10 1.5 0.5 -0.5 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 2.5 x 10 1.5 0.5 -0.5 Hình PL.15: Cơng su t t i công su t ngu n ngu n không cân b ng HVTH: Tr n Công Hi n 103 Lu n v n cao h c CBHD: PGS.TS Nguy n V n Nh - 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 Hình PL.16: H s cơng su t t i ngu n HVTH: Tr n Công Hi n 104 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG H tên: Tr n Công Hi n Ngày, tháng, n m sinh: 10/10/1980 i sinh: BR-VT a ch liên l c: ng 23, Vinh S n, Ngh a Thành, Châu i n tho i: (0643) 981043 ( : 0985092079) c, BR-VT Email: tranconghiencdcd@yahoo.com Quá trình t o: T 1998 n 2003 h c t i tr Tp.HCM, chuyên ngành Cung c p i n T n m 2006 n nay, h c cao h c theo ch ng ih c ph m K thu t ng trình t o sau i h c t i tr ng HBK Tp.HCM Quá trình cơng tác: T tháng 10/2003 ng t nh BR-VT n nay, công tác t i tr 113 ng Cao ng C ng ... TÀI: NGHIÊN C U M CH L C TÍCH C C SONG SONG BA PHA B N DÂY S D NG B NGH CH L U NPC BA B C II – NHI M V VÀ N I DUNG: Khái ni m sóng hài m ch bù l c tích c c B ngh ch l u áp M ch l c tích c c song. .. MƠ HÌNH M CH L C TÍCH C C SONG SONG PHA DÂY DÙNG B NGH CH L U B C TRONG MATLAB-SIMULINK Trong ph n ta s thi t l p mơ hình mơ ph ng h th ng m ch l c tích c c song song ba pha dâys dùng ph n m... - CH NG CH L C TÍCH C C SONG SONG PHA – DÂY Ch ng trình bày nguyên lý ho t tích c c song song pha dây, t ó ng, mơ hình tốn h c c a m ch l c a c s xây d