Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng cho luới điện phân phối

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯƠNG TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN - 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯƠNG TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN XUÂN MINH PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Lương Trung Hiếu Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên Nơi công tác: Công ty Điện lực Thái Nguyên Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện cho luới điện phân phối” Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Tôi xin cam đoan vấn đề trình bày luận văn nghiên cứu riêng cá nhân tôi, hướng dẫn PGS.TS Trần Xuân Minh giúp đỡ cán Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Ngun Mọi thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm số liệu luận văn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Học viên thực Lương Trung Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực luận văn nhận hướng dẫn, bảo tận tình PGS.TS Trần Xuân Minh, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tơi Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện giúp đỡ tốt để tơi hồn thành đề tài nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn đóng góp quý báu bạn cung lớp động viên giúp đỡ trình thực đề tài Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến quan xí nghiệp giúp tơi khảo sát tìm hiểu thực tế lấy số liệu phục vụ cho luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn tơi suốt q trình học tập nghiên cứu hồn thiện luận văn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Học viên Lương Trung Hiếu iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Nội dung nghiên cứu đề tài Kết dự kiến Đối tượng phạm vi nghiên cứu Công cụ, thiết bị nghiên cứu Bố cục đề tài Kế hoạch thực Chương TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 1.1 Tổng quan chung 1.1.1 Định nghĩa lưới điện trung áp 1.1.2 Phân loại lưới điện trung áp 1.1.3 Vai trò lưới điện trung áp 1.1.4 Các phần tử lưới điện trung áp 1.1.5 Cấu trúc lưới điện trung áp 1.1.6 Đặc điểm lưới điện trung áp 10 1.2 Hiện trạng lưới điện trung áp Việt Nam 11 1.2.1 Tình hình phát triển lưới điện trung áp 11 1.2.2 Tình hình phát triển phụ tải điện 11 1.3 Kết luận chương 12 iv Chương SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHỬ SÓNG HÀI 14 2.1 Đặt vấn đề 14 2.2 Tổng quan sóng điều hịa bậc cao 14 2.2.1 Ảnh hưởng sóng điều hịa bậc cao quy định giới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao lưới điện 19 2.2.2 Một số nguồn tạo sóng điều hịa bậc cao cơng nghiệp 21 2.3 Phương pháp khử sóng hài bậc cao 26 2.3.1 Bộ lọc sóng điều hòa bậc cao 26 2.3.2 Phân loại nguyên lý làm việc lọc tích cực 2.3.3 Bộ lọc hỗn hợp 38 2.3.4 Các thiết bị bù công suất phản kháng 39 2.4 Kết luận chương 47 Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN 48 3.1 Đặt vấn đề 48 3.2 Lý thuyết phương pháp lọc tích cực 48 3.2.1 Các phương pháp lọc tích cực dựa miền tần số 49 3.2.2 Các phương pháp lọc tích cực dựa miền thời gian 50 3.3 Mơ hình bể điện phân 55 3.4 Cấu trúc lọc tích cực 59 3.5 Kết luận chương 71 Chương MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 72 4.1 Xây dựng mơ hình lọc phần mềm Matlab/Simulink [4] 72 4.1.1 Nguồn xoay chiều pha 72 4.1.2 Khối mạch lực 72 4.1.3 Khối điều khiển dòng 74 4.1.6 Khâu lấy tín hiệu đo dòng điện điện áp ba pha 79 4.1.7 Khâu đo dòng điện, điện áp 80 v 4.2 Sơ đồ kết mô 80 4.2.1 Mô trường hợp chưa có lọc tích cực 81 4.2.2 Mơ trường hợp có lọc tích cực 85 4.4 Kết luận chương 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 vi DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT Thuật ngữ đầy đủ Chữ viết tắt CSPK Công suất phản kháng CSTD Công suất tác dụng DSVC Dynamic - Static Var Compensation FACTS Flexible alternating current transmission systems FC Fixed Capacitor FC-TCR Fixed Capacitor - Thyristor controller Reactor PF Power factor SSSC Static Synchronous Series Controllers SVC Static Var Compensation STATCOM Static Synchronous Compensator TCR Thyristor controller Reactor TCSC Thyristor Controlled Series Compensation TSC Thyristor Switched Capacitor Chú thích Hệ số công suất Bù công suất kiểu tĩnh Đơn vị Var Volt-ampere reactive công suất phản kháng vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu điện áp 20 Bảng 2.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu dòng điện 20 Bảng 2.3: IEC 1000-3-4 21 Bảng 3.1: Modul vector biên trái, biên phải thành phần điện áp us, us 69 Bảng 3.2: Thuật toán điều chế vector không gian 70 Bảng 4.1 Tỷ lệ thành phần dòng điều hòa dòng điện nguồn 83 Bảng 4.2: Giá trị thành phần sóng điều hịa dịng điện nguồn 88 viii DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Sơ đồ lưới phân phối hình tia Hình 1.2: Sơ đồ lưới phân phối hình tia có phân đoạn Hình 1.3: Sơ đồ lưới kín vận hành hở nguồn cung cấp Hình 1.4: Sơ đồ lưới kín vận hành hở nguồn cung cấp độc lập Hình 1.5 Sơ đồ lưới điện kiểu đường trục Hình 1.6: Sơ đồ lưới điện có đường dây dự phịng chung Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phân phối điện 10 Hình 2.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ khơng sin) 15 Hình 2.2: Các thành phần sóng điều hịa 16 Hình 2.3: Phân tích Fn thành an bn 17 Hình 2.4: Phổ thành phần điều hòa 18 Hình 2.5: Mơ hình chỉnh lưu cầu Đi ốt pha 22 Hình 2.6: Dịng điện nguồn sinh chỉnh lưu cầu Đi ốt pha 22 Hình 2.7: Chỉnh lưu cầu Đi ốt pha, dạng dòng điện phổ 22 Hình 2.8: Mơ hình chỉnh lưu cầu Đi ốt pha 23 Hình 2.9: Dịng điện nguồn sinh chỉnh lưu cầu Đi ốt pha 23 Hình 2.10: Chỉnh lưu cầu Đi ốt pha, dạng dịng điện phổ 24 Hình 2.11: Chỉnh lưu Thyristor cầu pha 24 Hình 2.12: Dịng điện pha A 25 Hình 2.13: Dạng dòng điện iA phổ 25 Hình 2.14: Bộ lọc RC 27 Hình 2.15: Bộ lọc LC 28 Hình 2.16: Sơ đồ mơ hệ thống chưa có lọc thụ động 28 80 4.1.7 Khâu đo dòng điện, điện áp U_V i + - - + v i_A Hình 4.16: Khâu đo dịng điện, điện áp 4.2 Sơ đồ kết mô 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 Ở ta xây dựng lọc tích cực dựa lý thuyết p-q thực phầm mềm Matlab/Simulink Để đánh giá chất lượng lọc ta tiến hành khảo sát trường hợp hệ thống điện cung cấp cho tải bể mạ trước sau có lọc 81 4.2.1 Mơ trường hợp chưa có lọc tích cực * Sơ đồ mơ Udk Udk Nguon 3pha Dieu khien dong A A A A A A B B B B B B C C C C C C Do dong nguon He thong tai be dien phan Do dong luoi A B Continuous C Do PQ Hien thi Do dien ap nguon Hình 4.17: Sơ đồ mơ hình mơ hệ thống cho tải bể điện phân chưa có lọc tích cực * Kết mơ - Dạng dịng điện tải phi tuyến: 2000 iS (A) 1000 -1000 -2000 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 Time (s) Hình 4.18: Dạng dòng điện nguồn 2.08 2.09 2.1 82 2000 iSa (A) 1000 -1000 -2000 2.01 2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.1 Time (s) Hình 4.19: Dạng dịng điện nguồn pha A Phân tích phổ dòng điện pha A giá trị khác E cho kết quả: Hình 4.20 Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A E = (V) Hình 4.21 Phân tích sóng điều hịa dịng điện nguồn pha A E = 16 (V) 83 Hình 4.22 Phân tích sóng điều hịa dịng điện nguồn pha A E = 22 (V) Bảng 4.1 Tỷ lệ thành phần dòng điều hòa dòng điện nguồn Bậc sóng điều hịa DC Fund 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Tỷ lệ thành phần sóng điều hịa (%) E=8(V) E=16(V) E=22(V) 0,10 0,06 0,01 100 100 100 0,05 0,15 0,02 0,02 0,10 0,01 0,17 0,20 0,02 47,68 40,43 24,08 0,45 0,48 0,03 22,70 16,88 14,48 0,22 0,12 0,02 0,18 0,08 0,01 0,25 0,17 0,01 17,02 14,42 5,97 0,32 0,42 0,02 11,80 8,68 7,86 0,19 0,13 0,02 0,13 0,09 0,01 0,18 0,16 0,01 9,16 7,98 4,44 0,33 0,35 0,02 7,32 5,24 3,96 84 - Hệ số công suất lưới Dap ung he so cong suat 0.95 0.9 0.85 Cosphi 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t(s) Hình 4.23 Hệ số cơng suất chưa có lọc Từ kết cho thấy có biến thiên thành phần sóng điều hịa bậc cao nên hệ số méo dạng dòng điện THD thay đổi Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE std 519 ta thấy hệ số méo dạng dòng điện THD = 30,37% vượt xa trị số số quy định tiêu chuẩn hệ số THD phải nhỏ 5% Ngoài hệ số công suất thấp cos = 0,66 Mặt khác từ bảng 4.1 ta thấy thành phần sóng điều hịa bậc chẵn bậc 3, 9,15 gần khơng có thành phần điều hòa bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19 chiếm tỷ lệ lớn Các thành phần gây chỉnh lưu cầu ba pha Trong thành phần sóng điều hịa bậc bậc chiếm tỷ lệ lớn Căn theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 ta nhận thấy thành phần sóng điều hịa dịng điện lưới vượt q tiêu chuẩn cho phép quy định theo tiêu chuẩn Do cần có biện pháp để đảm bảo hạn chế thành phần dòng điều hòa bậc cao lưới Biện pháp sử dụng sử dụng mạch lọc tích cực 85 4.2.2 Mơ trường hợp có lọc tích cực * Sơ đồ mơ Hình 4.24: Sơ đồ mơ hình mơ hệ thống cho tải bể mạ có tham gia lọc tích cực * Kết mơ - Nguồn cấp cho tải bể mạ Us (V) 500 -500 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Time (s) Hình 4.25: Điện áp nguồn cấp cho bể mạ 0.08 0.09 0.1 86 - Đáp ứng dòng điện nguồn phía trước mạch lọc: Cho ta thấy dịng điện có dạng hình sin, thành phần dịng điều hịa bậc cao giảm Dap ung dong dien pha phia nguon (truoc bo loc) 1500 1000 IS (A) 500 -500 -1000 -1500 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 t(s) 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 Hình 4.26: Dịng điện nguồn sau lọc tác động Tuy nhiên để đánh giá chất lượng lọc việc triệt tiêu thành phần điều hòa xoay chiều bậc cao ta cần đánh giá qua hệ số biến dạng dòng điện THD, hệ số phải nằm tiêu chuẩn cho phép Việc thực thơng qua phân tích điều hịa dịng điện bậc cao Ta phân tích với dịng pha A Dịng điện nguồn pha A: Dap ung dong dien pha A phia nguon (truoc bo loc) 1500 1000 IS (A) 500 -500 -1000 -1500 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 t(s) 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 Hình 4.27: Dịng điện nguồn pha A sau lọc tác động Tiếp theo ta phân tích phổ dịng điện pha A thời điểm khác sau mạch lọc tác động qua thấy tác động mạch lọc tích cực biến thiên thành phần sóng điều hịa bậc cao sức điện động E thay đổi trình mạ 87 Hình 4.28: Phổ sóng điều hịa dịng điện pha A E=8 (V) lọc tác động Hình 4.29: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A E=16 (V) lọc tác động Hình 4.30: Phổ sóng điều hịa dòng điện pha A E=22 (V) lọc tác động 88 Từ phân tích ta nhận thấy sức điện động E ổn định, hệ số méo dạng dòng điện THD 4,74% Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE std 519 ta thấy hệ số THD thỏa mãn tiêu chuẩn (