Nghiên cứu lọc tích cực trong mạng điện phân phối có xét đến điều kiện điện áp không đối xứng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN ĐIỆN ÁP KHÔNG ĐỐI XỨNG Họ tên học viên: Đỗ Văn Bảy Chuyên ngành: Kỹ Thuật điều khiển Tự động hóa Người hướng dẫn khoa học:PGS- TS Ngơ Đức Minh THÁI NGUYÊN, NĂM 2017 LUẬN VĂN THẠC SỸ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG .3 Chương TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HỊA VÀ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Tổng quan sóng hài 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài mạng điện 12 1.1.3 Ảnh hưởng sóng hài bậc cao 18 1.2 Tổng quan công suất phản kháng .21 1.2.1 Giới thiệu chung 21 1.2.2 Hiệu việc bù công suất phản kháng 22 1.3 Kết luận chương 23 Chương .24 CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI .24 2.1 Khái niệm lọc sóng hài 24 2.2 Các phương pháp lọc sóng hài 24 2.2.1 Bộ lọc thụ động 24 2.2.2 Bộ lọc chủ động 26 2.3 Kết luận 31 Chương .32 LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP 32 3.1 Mơ hình hệ thống .32 3.2 Tải phi tuyến 33 3.3 Lọc tích cực AF .36 3.4 Các phương pháp điều khiển lọc AF .39 3.4.1 Cấu trúc hệ điều khiển 39 3.4.2 Các phương pháp điều khiển lọc tích cực 41 3.5 Kết luận 50 Chương .51 THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO TẢI PHI TUYẾN 51 4.1 Phân tích ảnh hưởng đến lưới điện tải phi tuyến dạng bể mạ 51 4.1.1 Giới thiệu chung 51 4.1.2 Phân tích ảnh hưởng đến lưới phụ tải bể mạ 54 LUẬN VĂN THẠC SỸ 4.1.3 Kết mô .60 4.2 Xây dựng cấu trúc mạch lọc cho nguồn bể mạ .64 4.2.1 Xác định giá trị điện áp chiều nghịch lưu 65 4.2.2 Xác định giá trị tụ điện C 65 4.2.3 Xác định giá trị điện cảm L .66 4.2.4 Xác định lựa chọn thông số van điều khiển 68 4.2.5 Khâu tạo xung cho nghịch lưu 68 4.3 Mô hoạt động AF lọc với nguồn bể mạ 72 4.3.1 Trường hợp điện áp lưới điểm kết nối đối xứng 72 4.3.2 Trường hợp điện áp điểm nối mạch lọc lưới không đối xứng 79 4.3.3 Nhận xét 83 4.4 Kết luận 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .84 LUẬN VĂN THẠC SỸ DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1 Dạng sóng sin chuẩn sin bị méo dạng Hình Sóng sóng hài h1, h2, h3 Hình Phân tích Fn thành an bn 10 Hình Phân tích phổ sóng hài dịng điện sau chỉnh lưu cầu pha 11 Hình Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu pha 13 Hình Dịng điện lưới gây chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển 13 Hình Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu pha 14 Hình Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển 14 Hình Dòng điện lưới gây chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển 14 Hình 10 Phổ dịng điện chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển 15 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 15 Hình 12 Dịng điện phía lưới phân tích phổ  = 300 16 Hình 13 Dịng điện phía lưới phân tích phổ  = 500 16 Hình 14 Dịng điện phía lưới phân tích phổ  = 700 17 Hình 15 Dịng điện phía lưới phân tích phổ  = 900 18 Hình 16 Quan hệ giưa thành phần công suất đồ thị vectơ 21 Bảng 1 Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit) 20 Bảng Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current Distortion Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV) 20 Bảng IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc)…………………………… 20 Hình Bộ lọc RC .25 Hình 2 Bộ lọc LC .25 Hình Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lưới kiểu song song 27 Hình Mơ tả ngun lý hoạt động AF song song 28 Hình Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp 29 Hình Nguyên lý hoạt động AFs 29 Hình Bộ lọc kiểu lai 30 Hình Bộ lọc UPQC 30 Hình Sơ đồ thay mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến .32 Hình Cầu chỉnh lưu pha có điều khiển 33 Hình 3 Cấu trúc mô tải chỉnh lưu cầu pha 33 Hình Trị hiệu dụng điện áp lưới trước chỉnh lưu  = 150 34 Hình Trị hiệu dụng dịng điện lưới trước chỉnh lưu  = 15độ 34 Hình Phân tích sóng hài dịng điện lưới trước chỉnh lưu  = 150 35 Hình Trị hiệu dụng dịng điện lưới trước chỉnh lưu  = 50độ 35 Hình Phân tích sóng hài dịng điện lưới trước chỉnh lưu  = 50độ 36 Hình Cấu trúc khối lọc tích cực 36 Hình 10 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM 37 Hình 11 Sơ đồ thay pha chỉnh lưu PWM 38 Hình 12 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM 38 Hình 13 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM 39 Hình 14 Cấu trúc điêu khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức mạch lọc tích cực 40 LUẬN VĂN THẠC SỸ Hình 15 Cấu trúc điêu khiển vịng kín chỉnh lưu PWM với chức mạch lọc tích cực 40 Hình 16 Phương pháp FFT .42 Hình 17 Thuật tốn xác định dịng bù khung tọa độ dq 43 Hình 18 Thuật tốn lựa chọn sóng hài cần bù hệ dq 44 Hình 19 Thuật toán điều khiển dựa thuyết p-q tức thời .47 Hình 20 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm lọc tích cực 49 Hình Sơ đồ hệ thống bể mạ 52 Hình Giải pháp lọc sử dụng bù tổng 52 Hình Giải pháp bù sát cục phụ tải 53 Hình 4 Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ .54 Hình Mơ hình hệ thống điêu khiển bể mạ 55 Hình Nguồn xoay chiều pha 55 Hình Mơ hình mạch lực tải phi tuyến 56 Hình Mơ hình khâu điều áp xoay chiều pha 56 Hình Mơ hình tải bể mạ 57 Hình 10 Đặc tính biến thiên sức điện động bể mạ .57 Hình 11 Sơ đồ khâu điều khiển dịng điện tải 58 Hình 12 Khối tính tốn cơng suất 58 Hình 13 Mơ hình khâu đo dịng điện xoay chiều pha .59 Hình 14 Mơ hình khâu đo điện áp xoay chiều pha 59 Hình 15 Mơ hình khối hiển thi tham số .59 Hình 16 Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải 60 Hình 17 Dịng điện phía nguồn cấp cho tải 60 Hình 18 Dịng điện nguồn pha A .60 Hình 19 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A E=8 (V) 61 Hình 20 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A E=16 (V) 61 Hình 21 Phân tích sóng hài dịng điện nguồn pha A E=22 (V) 61 Hình 22 Thành phần điều hịa bậc dòng điện nguồn pha A 63 Hình 23 Thành phần điều hịa bậc dịng điện nguồn pha A 63 Hình 24 Hệ số cơng suất chưa có mạch lọc 64 Hình 25 Dòng điện điện áp nguồn pha A 64 Hình 26 Sơ đồ nguyên lý mạch lực có sử dụng bù 64 Hình 27 Mơ hình khối tính tốn dịng bù chuẩn 68 Hình 28 Khối chuyển điện áp hệ abc sang αβ 69 Hình 29 Khối chuyển dòng hệ abc sang αβ .69 Hình 30 Khối tính tốn công suất p,q 69 Hình 31 Khối tính tốn cơng suất ổn định điện áp tụ 70 Hình 32 Khối tính tốn cơng suất bù cung cáp mạch lọc 70 Hình 33 Khối tính tốn dịng bù hệ αβ 70 Hình 34 Khối tính tốn dịng bù hệ abc 71 Hình 35 Khối phát xung cho nghịch lưu 71 Hình 36 Mơ hình mơ AF cho tải bể mạ 72 Hình 37 Điện áp nguồn 73 Hình 38 Dòng điện nguồn sau mạch lọc tác động 73 Hình 39 Dịng điện nguồn pha A sau mạch lọc tác động 73 LUẬN VĂN THẠC SỸ Hình 40 Phân tích sóng hài dịng điện pha A E=8 (V) mạch lọc tác động 74 Hình 41 Phân tích sóng hài dịng điện pha A E=16 (V) mạch lọc tác động 74 Hình 42 Phân tích sóng hài dịng điện pha A E=22 (V) mạch lọc tác động.74 Hình 43 Thành phần sóng hài bậc trước sau mạch lọc tác động 76 Hình 44 Thành phần sóng hài bậc trước sau mạch lọc tác động 76 Hình 45 Công suất nguồn trước sau mạch lọc tác động 76 Hình 46 Công suất mạch lọc trước sau tác động 77 Hình 47 Hệ số công suất sau mạch lọc tác động 77 Hình 48 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau mạch lọc tác động .77 Hình 49 Phân tích FFT Dịng điện nguồn pha A sau mạch lọc tác động 78 Hình 50 Dịng điện, điện áp nguồn pha A sau mạch lọc tác động .78 Hình 51 Điện áp nguồn không đối xứng 79 Hình 52 Dịng điện nguồn trường hợp điện áp nguồn khơng đối xứng 79 Hình 53 Sóng điều hịa dịng điện nguồn pha A 79 Hình 54 Cấu trúc mạch PLL .80 Hình 55 Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù .80 Hình 56 Dịng điện nguồn sau lọc dùng PLL 81 Hình 57 Sóng điều hịa dòng điện nguồn pha A 81 Hình 58 Nối ghép tụ mạch lọc 83 Bảng Tỷ lệ thành phần dòng điều hòa dòng điện nguồn .62 Bảng Biến thiên dòng điện với thành phần sóng hài .67 Bảng Giá trị thành phần sóng hài dịng điện nguồn…………………… 75 LUẬN VĂN THẠC SỸ LỜI NÓI ĐẦU Trong hệ thống điện, nhà máy, xí nghiệp, liên doanh công nghiệp trở thành khách hàng (gọi phụ tải cơng nghiệp) tiêu thụ phần lớn lượng điện hệ thống điện Các hoạt động sản xuất phụ tải cơng nghiệp địi hỏi chất lượng điện cung cấp cao đạt chuẩn quốc tế Đặc biệt, tiêu quan trọng tiêu chuẩn sóng hài – Được đề cập lần Việt Nam năm 2010 [1] Trước đó, tài liệu giảngdạy Việt nam chưa đề cập tiêu chuẩn sóng hài tiêu đánh giá điện Có nhiều nguyên nhân phát sinh sóng hài hệ thống điện, sóng hài lưới điện phân phối lại phần lớn thiết bị sản xuất công nghiệp gây nên Trong số phải kể đến loại lị điện, bể mạ điện, bể mạ…Mục tiêu đề nhằm đạt hiệu cao lọc bỏ sóng hài nơi phát sinh, để thực điều lại có nhiều giải pháp phương thức thực khác [2-12]: Dùng lọc thụ động kiểu LC có ưu điểm đơn giản rễ lắp đạt vận hành kết khơng hồn hảo: tần số lọc cố định phụ thuộc vào thông số thiết bị thiết kế lắp đặt, tổn hao mát lượng nội lớn Thông thường lọc LC thiết kế cho lọc hài bậc thấp 3, 5, để lại lưới các hài bậc cao mà nhiều trường hợp hài bậc cao lại chiếm tỷ lệ đáng kể tác hại hài bậc cao ảnh hưởng lớn đến hoạt động hệ thống điện gây nhiều tác hại nghiêm trọng gây sai số cho thiết bị đo đếm hệ thống bảo vệ, đo lường tự động hóa Giải pháp khác đề xuất sử dụng lọc tích cực Bộ lọc tích cực (AF), thực chất máy phát bù sóng hài (thiết bị bù) có cấu trúc nghịch lưu PWM (đôi gọi chỉnh lưu tích cực) [3] Đối với sóng hài bậc cao AF thực bù không, nghĩa phổ sóng hài có lưới phổ sóng hài AF phát vào lưới có phép cộng khơng Theo nguyên tắc AF thiết kế lọc cho số hài cố định lọc cho phổ sóng hài rộng từ hình thành nhiều ý tưởng khoa học cho hướng nghiên cứu AF Một cách hiểu thứ hai chức bù AF bù thiếu, bù thiếu áp dụng cho việc bù công suất phản kháng thành phần sóng hài Nghĩa AF thực chức phát công suất phản kháng vào lưới nhằm mục đích nâng cao điện áp điểm kết nối Tất nhiên, AF hấp thụ công suất phản kháng để tránh áp cần thiết việc phân tích vấn đề vượt phạm vi nghiên cứu đề tài Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu lọc tích cực với hai chức lọc sóng hài bậc cao bù công suất phản kháng Nội dung trình bày bốn chương: Với hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Ngơ Đức Minh với cố gắng thân em hồn thành luận văn Tuy nhiên, khơng tránh khỏi thiếu sót, em kính mong nhận góp ý nhận xét thầy cô giáo đồng nghiệp LUẬN VĂN THẠC SỸ Chương TỔNG QUAN VỀ SĨNG ĐIỀU HỊA VÀ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Tổng quan sóng hài 1.1.1 Giới thiệu chung Hoạt động hệ thống điện trình cân tổng cơng suất phát cơng suất thu Trong đó, phát cơng suất thuộc phía nguồn mà chủ đạo nhà máy điện phát cơng suất pha xoay chiều hình sin tần số 50Hz (hoặc (60) Hz số nước Mỹ, Nhật ) Ngược lại, thu công suất thuộc phía hộ tiêu thụ hay cịn gọi tải với nhiều loại hình khác nguyên nhân dẫn đến xuất thành phần không sin hệ thống điện Nói cách khác sóng hài bậc cao (bội số tần số bản) sinh mong muốn Theo phân tích Fourier, sóng dịng điện hay điện áp hình sin bị méo dạng tương đương với phổ sóng hài gồm sóng tần số bản, cịn lại thành phần sóng hài bậc cao Tỷ lệ thành phần sóng hài phụ thuộc vào độ méo dạng so với ban đầu Hiện sóng hài bậc cao nhiều người đặt cho tên gọi sóng hài Hình 1 Dạng sóng sin chuẩn sin bị méo dạng Song hai h1, h2,h3 400 200 -200 -400 0.005 0.01 0.015 0.02 Time (s) 0.025 0.03 0.035 0.04 Hình Sóng sóng hài h1, h2, h3 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trong hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện hay điện áp pha bị méo dạng sóng hài bậc lẻ phân biệt thành thành thành phần thứ tự thuận, nghịch, khơng:  Thành phần thứ tự thuận gồm: sóng hài bậc h1, h7, h10… Song dien ap h1, h7,h10 400 200 -200 -400 0.005 0.01 0.015 0.02 Time (s) 0.025 0.03 0.035 0.04 0.035 0.04 0.035 0.04 Thành phần thứ tự nghịch gồm: sóng hài bậc h2, h8, h11 Song dien ap h2, h8, h11 400 200 -200 -400 0.005 0.01 0.015 0.02 Time (s) 0.025 0.03  Thành phần thứ tự không gồm: sóng hài bậc h3, 9, 12 400 Song dien áp h3, h9,h12  200 -200 -400 0.005 0.01 0.015 0.02 Time (s) 0.025 0.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ Một sóng hài với chu kỳ T(s), tần số f=1/T(Hz) hay ω=2πf (rad/s) phân tích chuỗi Furier sau: a0  f  ωt  = + Fnsin  nωt+ψn  n=1 (1.1) Trong đó: a0 : giá trị trung bình Fn : biên độ sóng hài bậc n chuỗi Fourier Fsin  ωt+ψ1  : thành phần sóng Fn sin  nωt+ψ n  : thành phần sóng hài bậc n ψ n : góc pha sóng hài bậc n Từ (1.1) viết thành: Fn sin  nωt+ψn  =Fn (sinnωt.cosψn +sinψn cosnωt) Nếu quy ước: Fnsinψn =bn Fn cosψn =a n Im Fn bn yn an Re Hình Phân tích Fn thành an bn Từ viết sau: f  ωt  =  a0  + a n cosnωt+ b nsinnωt n=1 n=1 (1.2) Hay viết (1.2) dạng sau: 10 LUẬN VĂN THẠC SỸ 4.3 Mô hoạt động AF lọc với nguồn bể mạ 4.3.1 Trường hợp điện áp lưới điểm kết nối đối xứng Các thông số mô phỏng: Nguồn cấp 380(V), tần số 50(Hz) đối xứng hồn tồn Thơng số điều chỉnh dòng Kp=0,011 ; Ki=110 Cuộn kháng L= 5.10-5 (H) Tụ điện C= 3000 ( μF ) Thông số điều chỉnh điện áp tụ Kp=2,64 Ki=114,8 Sai số khâu điều chỉnh dòng ta đặt khoảng100(A) tương ứng với sai số khoảng 10% Q trình mơ thực với chế độ dòng mạ 10000 (A) Cấu trúc mô matlab xây dựng hình 4.36 Hình 36 Mơ hình mơ AF cho tải bể mạ 72 LUẬN VĂN THẠC SỸ Các kết mô sau:  Điện áp nguồn đối xứng có dạng sin chuẩn: 400 uaS 200 -200 -400 7.1 7.2 7.3 7.4 Time 7.5 7.6 7.7 7.8 x 10 Hình 37 Điện áp nguồn  Dịng điện nguồn phía trước mạch lọc ta thấy dịng điện có hình sin, thành phần dòng điều hòa bậc cao giảm 2000 iS (A) 1000 -1000 -2000 2.4 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.5 Time (s) Hình 38 Dịng điện nguồn sau mạch 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 Dòng điện nguồn pha A: 2000 iaS vaf uaS  1000 -1000 -2000 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 Time 7.6 7.7 7.8 7.9 x 10 Hình 39 Dịng điện nguồn pha A sau mạch lọc tác động 73 LUẬN VĂN THẠC SỸ 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 hài bậc cao sức điện động E thay đổi trình mạ Hình 40 Phân tích sóng hài dịng điện pha A E=8 (V) mạch lọc tác động Hình 41 Phân tích sóng hài dịng điện pha A E=16 (V) mạch lọc tác động Hình 42 Phân tích sóng hài dịng điện pha A E=22 (V) mạch lọc tác động 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 (