Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện thành phố

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN – 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Mà SỐ: 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Danh Hoằng THÁI NGUYÊN – 2020 CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Trung Kiên Đề tài luận văn: Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện cho lưới điện Thành phố Lạng Sơn Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã số: : 8.52.02.01 Tác giả, Cán hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với nội dung sau: - Sửa sai sót chế ,lỗi tả, thích khơng kèm với hình, trang nội dung dịch khung trang chỉnh - Sửa đề mục có trùng lặp (2.2 2.3), đưa cấu trúc điều khiển( bù công suất phản kháng với điều khiển PI) chi tiết hình 2.18 Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020 Cán hướng dẫn Tác giả luận văn Nguyễn Trung Kiên TS Đặng Danh Hoằng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Nguyễn Như Hiển i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Trung Kiên Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1980 Học viên lớp cao học khoá 21 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Công ty điện lực Lạng Sơn Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hoàn toàn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Trung Kiên ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thầy giáo, cô giáo, anh chị Trung tâm thí nghiệm giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hồn thành luận văn Trong trình thực đề tài nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy TS Đặng Danh Hoằng giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo cịn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Nguyễn Trung Kiên iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ IX MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN 1.1 Tổng quan tượng phát sinh sóng điều hịa bậc cao (sóng hài) lưới điện 1.1.1 Những đề sóng điều hịa bậc cao 1.1.2 Tổng quan sóng điều hòa bậc cao .3 1.1.3 Ảnh hưởng sóng hài quy định giới hạn thành phần sóng hài lưới điện 1.1.4 Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài 1.2 Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn 16 1.2.1 Lưới điện trung 17 1.2.2 Tổn thất điện khu vực thành phố Lạng Sơn vài năm gần 20 1.2.3 Đánh giá trạng theo kết tính toán 21 1.2.4 Một số phụ tải phát sinh sóng hài lớn thành phố Lạng Sơn 22 1.2.5 Giải pháp lọc sóng hài 24 1.3 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SĨNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 25 2.1 Tổng quan lọc tích cực 25 2.1.1 Nhiệm vụ lọc tích cực 25 iv 2.1.2 Giới hạn cơng suất lọc tích cực 25 2.2 Phân loại lọc tích cực 26 2.2.1 Bộ lọc tích cực song song 26 2.2.2 Bộ lọc tích cực nối tiếp 28 2.2.3 Bộ lọc tích cực dựa theo nguồn cung cấp điện 29 2.2.4 Bộ lọc tích cực theo biến đổi cơng suất 31 2.3 Nguyên lý làm việc lọc tích cực 32 2.4 Các thuật tốn lọc tích cực 35 2.4.1 Các thuật tốn lọc tích cực dựa miền tần số 35 2.4.1.1 Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform) 35 2.4.1.2 Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform) 36 2.4.2 Các phương pháp lọc tích cực dựa miền thời gian 36 2.4.2.1 Phương pháp xác định dòng bù hệ dq 37 2.4.2.2 Phương pháp xác định dòng bù dựa lý thuyết p-q 38 2.5 Xây dựng cấu trúc điều khiển 42 2.6 Kết luận chương 44 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG .45 3.1 Xây dựng mơ hình lọc phần mềm Matlab/Simulink [5] 45 3.1.1 Khối nguồn xoay chiều pha 45 3.1.2 Khối tải phi tuyến điều khiển dòng PI 45 3.1.3 Khối lọc tích cực 46 3.1.4 Khâu tính tốn độ méo dạng (THD) 53 3.1.5 Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dịng điện điện áp ba pha 53 3.1.6 Khâu đo dòng điện, điện áp 54 3.2 Sơ đồ mô 54 3.3 Kết mô đánh giá chất lượng hệ thống 56 3.3.1 Kết mơ trường hợp chưa có lọc tích cực 56 3.3.2 Kết mơ trường hợp có lọc tích cực 58 3.3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống 63 3.4 Kết luận chương 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu f f(t) U1 Un I1 In PF p q 10 P 11 Q 12 R 13 L 14 C 15 iS 16 iL 17 iF 18 Us 19 Uh 20 UF 21 u0, uα, uβĐiện áp biểu diễn hệ trục αβ 22 ua, ub, ucĐiện áp biểu diễn hệ trục abc 23 ia, ib, ic 24 i0, iα, iβDòng điện biểu diễn hệ trục αβ 25 ud, uq vi 26 id, iq 27 ω 28 Udc 29 S 30 , 31 32 T Các chữ viết tắt STT Ký hiệu 33 CSPK 34 CSTD 35 THD 36 SVC 37 DC 38 AC 39 AFn 40 AFS 41 TSR 42 TCR 43 DFT 44 FFT 45 PLL 46 SVM - Biên độ dòng điều hòa Icb = 1682 A - Cơng suất phản kháng trung bình Q = 1050 VAR - Hệ số công suất cosφ trung bình = 0,68 Nhận xét: Các thành phần sóng điều hịa bậc cao khơng đạt theo tiêu chuẩn IEC1000-3-4, hệ số cơng suất thấp độ méo dạng dịng điện lớn 3.3.2 Kết mơ trường hợp có lọc tích cực Thực mơ với thơng số điều khiển thiết kế theo phương pháp thực nghiệm chương tải cung cấp chỉnh lưu cầu pha có điều khiển, ta được: Kết mơ đặc tính dịng điện pha pha phía nguồn cung cấp lưới điện phân phối cho phụ tải phi tuyến chưa có lọc tích cực hình 3.19ab có lọc hình 3.20ab xét từ thời điểm bắt đầu đóng tụ bù (t = 0) Dong dien (A) Dap ung dong dien pha phía nguon chua co bo loc Dong dien (A) Dap ung dong pha phia nguon khong co bo loc Hình 3.19: a) Dạng dịng điện pha chưa có lọc tác động; 58 Dap ung dong dien pha phia nguon co bo loc 6000 5000 4000 Dong dien (A) 3000 2000 1000 -1000 -2000 -30000 Dap ung dong dien pha phia nguon co bo loc 6000 4000 dien (A) 2000 Dong -2000 -4000 -6000 -80000 Hình 3.20: a) D - Dòng điện nguồn pha A trước sau lọc tích cực tác động tính từ thời điểm từ 0,3s: 59 Dap ung dong dien pha A phia nguon 2 Dong dien (A) - -1 -1 -2 -2 Hình 3.21: Dạng dịng điện pha A trước sau có lọc tác động - Dịng điện nguồn pha A phía nguồn có lọc tác động gần sin: Dong dien (A) Dap ung dong dien pha A phia nguon - - - - Hình 3.22: Dạng dịng điện có lọc tác động xét thời điểm từ 0,4 đến 0,5s 60 - Phân tích phổ dịng điện nguồn pha A có tác động lọc: Hình 3.23: Phân tích phổ dịng điện pha A có lọc tác động - Công suất phản kháng trước sau có lọc Dap ung cong suat phan khang cua he thong 3000 2500 2000 Q(Var) 1500 1000 500 -5000 Hình 3.24: Cơng suất phản kháng hệ thống 61 - Hệ số công suất trước sau có lọc Dap ung cosphi cua he thong 0.8 Cosphi 0.6 0.4 0.2 0 Hình 3.25: Hệ số cơng suất cosφ - Ngồi cịn có đáp ứng công suất biểu kiến (công suất toàn phần), điện áp Ud hệ thống: Dap ung cong suat bieu kien phia nguon va phia tai 4500 4000 3500 S (VA) 3000 2500 2000 1500 1000 500 Hình 3.26: Đáp ứng cơng suất biểu kiến hệ thống 62 Dap ung dien ap dieu khien 900 800 700 Ud (V) 600 500 400 300 200 100 `` 00 Hình 3.27: Đáp ứng điện áp điều khiển Ud hệ thống 3.3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống Từ kết mô thu được, ta phân tích phổ dịng điện nguồn cung cấp pha A có lọc cho thấy: - Dịng điện nguồn giảm biến dạng đáng kể gần dạng hình sin - Độ méo dạng dịng điện giảm nhiều, cịn THD = 2,12% - Các sóng điều hịa bậc cao (sóng hài) bậc: 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19 Tỷ lệ so với sóng điều hồ cịn nhỏ liệu hình : Hình 3.28: Phân tích phần trăm phổ dịng điện nguồn pha A có lọc 63 - Cơng suất phản kháng trung bình trước bù 1050 VAR, sau bù công suất phản kháng giảm nhiều, dao động quanh 380 VAR - Hệ số cosφ trước có lọc tích cực trung bình 0.68 Sau có lọc tích cực thực chức bù, hệ số cosφ ≈ 0.98 3.4 Kết luận chương - Qua kết mô với hệ thống lưới phân phối điện cho phụ tải phi tuyến chưa sử dụng lọc cho thấy nguồn điện có chất lượng thể qua biến dạng dịng điện nguồn cung cấp (hình 3.16) qua phân tích phổ (hình 3.17, hình 3.18) - Khi có tác động lọc tích cực chất lượng hệ thống cung cấp điện cải thiện đáng kể biến dạng dịng điện nguồn giả đáng kể (hình 3.20, 3.21 3.22) thể qua phân tích phổ (hình 3.23 hình 3.28) Ngồi hệ thống bù công suất phản kháng để nâng cosϕ từ 0,68 lên ≈ 0,98 (hình 3.24 hình 3.25) thông số khác cải thiện chất lượng đáng kể 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nhiệm vụ luận văn nghiên cứu lọc tích cực bù cơng suất phản kháng cho lưới điện phân phối cung cấp nguồn cho phụ tải phi tuyến công nghiệp dân dụng Với nội dung trình bày qua chương, luận văn đạt kết định, thể đặc điểm sau: - Đã xây dựng phương pháp điều khiển hệ thống sử dụng lọc tích cực song song để loại bỏ sóng hài bù công suất phát kháng nhằm nâng cao chất lượng nguồn điện cung cấp lưới điện phân phối - Xây dựng mơ hình mơ hệ thống sử dụng lọc tích cực - Qua kết mô cho thấy chất lượng hệ thống có lọc tích cực cải thiện cách đáng kể thể qua đại lượng đặc trưng cho nguồn điện: Dòng điện (loại bỏ sóng hài); cơng suất phản kháng Q; hệ số cơng suất cosϕ nguồn tác động lọc Kiến nghị Mặc dù luận văn có kết định, song cần phải giải triệt để số vấn đề tồn sau: - Tổn hao nghịch lưu chưa xem xét, tồn cần giải nhằm nâng cao hiệu suất chất lượng lọc - Chưa nghiên cứu ứng dụng lọc tích cực cho hệ thống lưới điện cao áp 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Bách (2000), Lưới Hệ thống điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung(2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Nguyễn Phùng Quang(2005), Matlab & Simulink, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [6] David M.E Ingram and Simon D Round, A Fully Digital Hysteresis Current Controller for an Active Power Filter, University of Canterbury - New Zealand [7] Emílio F Couto, Júlio S Martins, João L Afonso, Similation, Results of a shunt active with control base on p-q theory, University of Minho-Portugal [8] * Edson H.Watanabe , Maurício Aredes * + - Hirofumi Akagi , The P-Q Theory For Active F i l t e r Control: S o m e Problems And Solutions, Federal University of Rio de Janeiro – Brasil*, Tokyo Institute of Technology – Japan+ [9] 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] H AKAGI, Modern active filters and traditional passive filters, Tokyo, Japan [11] 66 [12] M.V Aware, A.G Kothari and S.S Bhat, Power factor improvement using active filter for [13] unbalanced three-phase non-linear loads, Mark McGranaghan, Active Filter Desi gn and specification for Harmonics in Industrial and Ommercial Facilities , Electrotek Concepts, Inc Knoxville TN, USA [14] Park KI-WON, A Review of Active Power Filters, R&D Center –POSCON [15] Tan Perng Cheng, A Single - phase Hybrid Active Power Filter with Photovoltaic Application, University Tecknology - Malaysia 67 ... cực để cải thiện chất lượng lưới điện cung cấp cho phụ tải Vì chọn đề tài: "Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện cho lưới điện Thành Phố Lạng Sơn" Mục tiêu nghiên cứu. .. THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Mà SỐ: 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC... Nguyễn Trung Kiên Đề tài luận văn: Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện cho lưới điện Thành phố Lạng Sơn Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã số: : 8.52.02.01 Tác giả, Cán