Luận văn thạc sĩ nghiên cứu lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện năng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN ĐÌNH GIẢNG NGHIÊN CỨU LỌC SĨNG HÀI NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG DANH HOẰNG Thái Nguyên - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Nguyễn Đình Giảng Sinh ngày: 26 tháng năm 1976 Học viên lớp cao học khoá 20 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Công ty điện lực Bắc Kạn 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 Đình Giảng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 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 q trình thực đề tài tơi 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 hồn 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 hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Nguyễn Đình Giảng Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung luận văn Chương 1: TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ BẮC KẠN VÀ PHỤ TẢI PHÁT SINH SÓNG HÀI 1.1 Tổng quan lưới điện thành phố Bắc Kạn 1.1.1 Lưới điện trung 1.1.2 Tổn thất điện khu vực thành phố Bắc Kạn vài năm gần 1.2.3 Đánh giá trạng theo kết tính toán 1.2 Sự phát sinh sóng điều hịa bậc cao (sóng hài) hệ thống cung cấp điện 1.2.1 Những đề sóng điều hịa bậc cao 1.2.2 Một số nguyên nhân phát sinh sóng điều hịa bậc cao 16 1.3 Kết luận chương 23 Chương 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SĨNG HÀI VÀ BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG .25 2.1 Tổng quan lọc sóng điều hòa bậc cao 25 2.1.1 Bộ lọc thụ động 25 2.1.2 Bộ lọc chủ động (bộ lọc tích cực) 27 2.2 Phân loại nguyên lý làm việc lọc tích cực 28 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2.2.1 Phân loại theo sơ đồ nguyên lý 28 2.2.2 Phân loại theo nguồn cung cấp điện 32 2.2.3 Phân loại theo biến đổi công suất 34 2.3 Bộ lọc hỗn hợp 35 2.4 Nguyên lý làm việc thiết bị bù tích cực 37 2.5 Các thuật tốn lọc tích cực 39 2.5.1 Các thuật toán lọc tích cực dựa miền tần số 39 2.5.2 Các phương pháp lọc tích cực dựa miền thời gian .41 2.6 Xây dựng cấu trúc điều khiển 47 2.7 Kết luận chương 50 Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG .51 3.1 Xây dựng mô hình lọc phần mềm Matlab/Simulink 51 3.1.1 Khối nguồn xoay chiều pha 51 3.1.2 Khối tải phi tuyến 52 3.1.2 Khối lọc tích cực 52 3.1.3 Khâu tính tốn độ méo dạng (THD) 59 3.1.4 Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dịng điện điện áp ba pha 60 3.1.5 Khâu đo dòng điện, điện áp 60 3.2 Sơ đồ mô 60 3.3 Kết mô đánh giá chất lượng hệ thống 62 3.3.1 Kết mô trường hợp chưa có lọc tích cực 62 3.3.2 Kết mơ trường hợp có lọc tích cực 64 3.3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống 70 3.4 Kết luận chương 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 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 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN 26 id, iq Dịng điện biểu diễn hệ trục 27 ω dq Tần số góc nguồn điện 28 Udc Điện áp chiều 29 S Công suất biểu kiến 30 , Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần dòng xoay chiều 31 32 Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần dòng chiều T Chu kỳ dòng điện 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 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mang tải đường dây trung sau trạm 110kV Bắc Kạn Bảng 1.2 Tổn thất điện qua năm thành phố Bắc Kạn Bảng 1.3 Kết công suất lộ trung Bảng 1.4 Tổn thất điện kỹ thuật qua năm TP Bắc Kạn Bảng 1.5 Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu điện áp 15 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 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 Như ta xây dựng khối hệ thống mô từ nguồn điện, tải phi tuyến lọc tích cực dựa lý thuyết p-q thực phầm mềm Matlab/Simulink Để đánh giá chất lượng lọc tích cực ta thực ghép nối khối mô lại để có sơ đồ mơ 02 trường hợp hệ thống lưới điện trước sau có lọc tích cực hình 3.14 hình 3.15 Hình 3.14: Sơ đồ mơ hình mơ hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi tuyến chưa có lọc tích cực Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.15 Sơ đồ mơ hình mơ hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi tuyến có lọc tích cực 3.3 Kết mơ đánh giá chất lượng hệ thống 3.3.1 Kết mơ trường hợp chưa có lọc tích cực - Dạng dòng điện tải phi tuyến: Thực mơ theo sơ đồ mơ hình 3.14 ta kết mơ đặc tính dịng điện phía nguồn cung cấp lưới điện phân phối cho phụ tải phi tuyến hình 3.16 phân tích phổ sóng hài hình 3.17 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn i (A) Dac tinh dong dien phia nguon chua co bo loc Hình 3.16: Dạng dịng điện nguồn Hình 3.17: Phân tích phổ THD dịng điện nguồn Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Từ kết thu sau mơ phỏng, ta thấy: - Dạng dịng điện phía nguồn cung cấp cho phụ tải phi tuyến khơng cịn dạng hình sin - Độ méo dạng dịng điện THD = 23.56% - Các sóng điều hịa bậc cao ảnh hưởng chủ yếu bậc: 5,7,11,13,17,19 Tỉ lệ so với sóng điều hồ (50Hz): - Biên độ dòng điều hòa Icb = 1287 A - Cơng suất phản kháng trung bình Q = 760 kVAR - Hệ số cơng suất cosφ trung bình = 0,7 Nhận xét: Các thành phần sóng điều hịa bậc cao không đạt theo tiêu chuẩn IEC- 1000-3-4, hệ số cơng suất thấp độ méo dạng dịng điện lớn 3.3.2 Kết mơ trường hợp có lọc tích cực - Dịng điện nguồn pha trước sau lọc tích cực tác động: Thực mơ theo sơ đồ mơ hình 3.15 ta kết mơ đặc tính dịng điện pha phía nguồn cung cấp lưới điện phân phối cho phụ tải phi tuyến chưa có lọc tích cực hình 3.18 sau có lọc tích cực hình 3.19 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iABC (A) Dac tinh dong dien phia nguon chua co bo loc iABC (A) Dac tinh dong dien pha phia nguon chua co bo loc Hình 3.18: Dạng dịng điện pha trước lọc tác động Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Dac tinh dong dien nguon pha cung cap cho phu tai co bo loc 200 150 100 iABC (A) 50 -50 -100 -150 -200 iABC (A) Dac tinh dong dien nguon pha cung cap cho phu tai co bo loc Hình 3.19: Dạng dịng điện pha có lọc tác động Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn - Dòng điện nguồn pha A trước sau lọc tích cực tác động: 2500 2000 1500 1000 iA (A) 500 -500 -1000 -1500 -2000 -2500 0.2 Hình 3.20: Dạng dịng điện pha A trước sau có lọc tác động - Dịng điện nguồn pha A phía nguồn có lọc tác động gần sin: iA (A) Dac tinh dong dien pha A phia nguon cung cap cho phu tai co bo loc Hình 3.21: Dạng dịng điện có lọc tác động xét thời điểm từ 0,3 đến 0,4s Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn - Phân tích phổ dịng điện nguồn pha A có tác động lọc: Hình 3.22: Phân tích phổ dịng điện pha A có lọc tác động - Cơng suất phản kháng trước sau có lọc Dac tinh cong suat phan khang 3000 Q.loc 2000 Q (kVAR) 1500 1000 500 -5000 Hình 3.23: Cơng suất phản kháng hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn - Hệ số cơng suất trước sau có lọc Dac tinh cosphi cua nguon cung cap 0.95 0.9 0.85 Cosphi 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 Hình 3.24: Hệ số cơng suất cosφ Hình 3.25: Các đặc tính dịng điện, cosphi, cơng suất phản kháng, công suất biểu kiến, điện áp Ud hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 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: - Dòng điện nguồn giảm biến dạng đáng kể gần dạng hình sin - Độ méo dạng dịng điện giảm nhiều, cịn THD = 1,15% - Các sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng chủ yếu bậc: 5,7,11,13,17 Tỷ lệ so với sóng điều hồ cịn nhỏ liệu hình : Hình 3.26: Phân tích phần trăm phổ dịng điên nguồn pha A có lọc Từ hình 3.26 ta có tỷ lệ cụ thể sau: Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN Các thành phần đạt tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 - Cơng suất phản kháng trung bình trước bù 760kVAR, sau bù công suất phản kháng giảm nhiều, dao động quanh 200KVAR - Hệ số cosφ trước có lọc tích cực trung bình 0.7 Sau có lọc tích cực thực chức bù, hệ số cosφ ≈ 0.99 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 dòng điện nguồn cung cấp (hình 3.16) qua phân tích phổ (hình 3.17) - Khi có tác động lọc tích cực chất lượng hệ thống cung cấp điện cải thiện đáng kể biến dạng dịng điện nguồn giảm (hình 3.19, 3.20 3.21) thể qua phân tích phổ (hình 3.22) Ngồi hệ thống bù cơng suất phản kháng để nâng cosϕ từ 0,7 lên ≈0,99 (hình 3.23 hình 3.24) Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nhiệm vụ luận văn nghiên cứu lọc tích cực bù công 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 cơng 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 Matlab/Simulink - 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: Dịng điện (loại bỏ sóng hài); cơng suất phản kháng Q; hệ số công 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 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 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, Phan Xuân Minh(2000), Hệ phi tuyến, Nhà xuất 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] * * * [9] + Edson H.Watanabe , Maurício Aredes - Hirofumi Akagi , The P-Q Theory For Active Filter Control: Some Problems And Solutions, Federal University of + Rio de Janeiro – Brasil , Tokyo Institute of Technology – Japan H Abaali, M T Lamchich, M Raoufi, Shunt Power Active Filter Control under Non Ideal Voltages Conditions, International Journal of Information [10] H AKAGI, Modern active filters and traditional passive filters, Tokyo, Japan [11] M.V Aware, A.G Kothari and S.S Bhat, Power factor improvement using active filter for Visvesvaraya National Institute of Technology – India Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN [12] Mark McGranaghan, Active Filter Design and specification for Harmonics in Industrial and Ommercial Facilities , Electrotek Concepts, Inc Knoxville TN, USA [13] Park KI-WON, A Review of Active Power Filters, R&D Center –POSCON [14] Tan Perng Cheng, A Single - phase Hybrid Active Power Filter with Photovoltaic Application, University Tecknology - Malaysia Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ... để cải thiện chất lượng lưới điện cung cấp cho phụ tải Vì tơi chọn đề tài: "Nghiên cứu lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện năng" Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu hệ thống lưới điện phân phối... cấp điện cho thành phố Bắc Kạn tỉnh Bắc Kạn - Phân tích tượng xuất sóng hài bậc cao - Đề xuất thiết kế lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao có khả bù cơng suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng. .. tài tác giả thực nghiên cứu giải pháp sử dụng lọc tích cực để lọc sóng hài bù công suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng điện cung cấp cho phụ tải công nghiệp dân sinh 1.3 Kết luận chương Chương