Dịch vụ thành lập Thay đổi Giấy phép kinh doanh cty Việt Nam cty vốn FDI Tuyển Cộng tác viên (CK 15% gói Dịch vụ) 0899315716 MỤC LỤC CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MẠCH LỌC 10 1.1 Giới thiệu 10 1.2 Chất lượng điện năng 10 1.2.1 Thành phần cơ bản của méo dạng hài 10 1.2.2 Các tiêu chuẩn hài 11 1.2.3 Ảnh hưởng của độ méo dạng hài đến chất lượng điện năng 13 1.3 Các phương pháp loại trừ hài 13 1.3.1 Mạch lọc thụ động 14 1.3.2 Mạch lọc tích cực 15 CHƯƠNG 2:PHÂN TÍCH CÁC KHUYẾT ĐIỂM CẦN CẢI TIẾN CỦA APF TRUYỀN THỐNG 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Phân tích các khuyết điểm cần cải tiến của APF truyền thống 19 2.2.1 Mạch đo đạt hài 19 2.2.2 Mạch APF tạo ra nhiều thành phần hài bậc cao không mong muốn vào hệ thống 29 2.2.3 Hiệu quả điều khiển không cao 31 2.2.4 Công suất của APF khá lớn, dẫn đến chí phí đầu tư lớn 32 2.3 Kết luận 33 CHƯƠNG 3:ĐỀ XUẤT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC APF DẠNG CẢI TIẾN 34 3.1 Giới thiệu 34 3.2 Các mô hình APF dạng cải tiến 34 3.2.1 Mô hình thứ 1 34 3.2.2 Mô hình thứ 2 38 3.3. Kết luận 42 CHƯƠNG 4 : PHÂN TÍCH TỔNG QUAN CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHO TỪNG DẠNG APF CẢI TIẾN 43 4.1 Giới thiệu 43 4.2 Mô hình thứ nhất 43 4.3 Phân tích tổng quan các chiến lược điều khiển cho mô hình thứ nhất 44 4.3.1 Chiến lược điều khiển dựa vào IF: UC KIF K (I S I L ) 44 4.3.2. Chiến lược điều khiển dựa vào IS: UC 4.3.3. Chiến lược điều khiển dựa vào IL: UC KI S 47 KIL 49 4.4 Mô hình thứ hai 52 4.5 Phân tích tổng quan chiến lược điều khiển cho mô hình thứ 2 53 4.6. Kết luận 54 CHƯƠNG 5:PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO APF DẠNG CẢI TIẾN . 55 5.1 Giới thiệu 55 5.2 Phương pháp điều khiển 55 5.2.1 Cấu trúc của một hệ thống điều khiển 55 5.2.2 Các phương pháp điều khiển mới 55 5.2.3 Phương pháp điều khiển trực tuyến với bù trễ 58 5.2.4. Phương pháp điều khiển thích nghi cho HAPF 69 5.3 Kết luận 76 CHƯƠNG 6:SO SÁNH CÁC MÔ HÌNH APF CẢI TIẾN VỀ PHẠM VI ỨNG DỤNG, HIỆU QUẢ 78 6.1 Giới thiệu 78 6.2 So sánh các mô hình APF cải tiến về phạm vi ứng dụng và hiệu quả 78 6.3 Kết luận 83 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG (dùng cho Báo cáo tổng kết đề tài) 1. Thông tin chung: Tên đề tài: Nghiên cứu cải tiến mạch lọc tích cực dạng truyền thống Mã số: Chủ nhiệm đề tài: Điện thoại: Email: Đơn vị quản lý về chuyên môn (Khoa, Tổ bộ môn): Khoa Điện, bộ môn hệ thống điệncung cấp điện Thời gian thực hiện: từ …20… đến …20… 2. Mục tiêu: Nghiên cứu các khuyết điểm cần cải tiến của mạch lọc tích cực dạng truyền thống để đưa ra các dạng mạch lọc tích cực dạng lai ghép nhằm giảm công suất của mạch lọc để có thể dùng được với tất cả các tải, mạng điện áp cao, chống hiện tượng cộng hưởng, nâng cao hiệu quả lọc hài và bù công suất phản kháng một cách hiệu quả hơn. Đồng thời đưa ra các chiến lược điều khiển tổng quát cho các dạng mạch lọc cải tiến để làm cơ sở cho các nghiên cứu sau này. Tổng quan các phương pháp điều khiển và đưa ra phương pháp mới cho HAPF cũng được đưa ra. Sự so sánh giữa các mô hình APF cải tiến cũng được đưa ra trong nghiên cứu này. 3. Nội dung chính: • Tổng quan về mạch lọc • Phân tích các khuyết điểm cần cải tiến của APF dạng truyền thống • Đề xuất và xây dựng mô hình toán của các APF dạng cải tiến • Phân tích tổng quan chiến lược điều khiển cho từng dạng APF cải tiến • Phương pháp điều khiển cho APF dạng cải tiến • So sánh các mô hình APF cải tiến về phạm vi ứng dụng, hiệu quả • Viết các bài báo liên quan đến đề tài nghiên cứu • Báo cáo khoa học tổng kết đề tài. 4. Kết quả chính đạt được (khoa học, đào tạo, kinh tếxã hội, ứng dụng, ...) • Báo cáo toàn văn tổng kết đề tài (kèm theo 02 đĩa DVD) • Báo cáo tóm tắt đề tài (bằng tiếng Việt và tiếng Anh) • 1 bài báo khoa học SCIE, 2 bài IUH • Viết thêm một chương mới trong chương trình chi tiết mới của môn học Điện tử công suất. MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước Trong nước: Có rất ít nghiên cứu về mạch lọc tích cực, tuy nhiên mới chỉ dừng lại nghiên cứu trên dạng mạch lọc tích cực dạng truyền thống 112114 và chưa có nghiên cứu nào về dạng cải tiến của nó. Ngoài nước: Đã có nhiều nghiên cứu về dạng cải tiến của mạch lọc tích cực. Tuy nhiên, các nghiên cứu thường ở dạng mạch lọc tích cực song song, nối tiếp dạng truyền thống mà rất ít nghiên cứu về các dạng lai ghép giữa mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực 1925. Xét về tổng thể các nghiên cứ đã được sử dụng cho mạch lọc tích cực như sau: Về phương pháp đo đạt thành phần hài thì chủ yếu là sử dụng phương pháp công suất tức thời pq và ipiq 9, 28 bởi vì tính đơn giản của nó. Tuy nhiên, trong trường hợp nguồn là méo dạng thì phương pháp ipiq cho kết quả tốt hơn phương pháp pq, và kết quả đo đạt thành phần hài cũng chưa thật sự tốt lắm bởi vì vẫn còn có thành phần hài trong thành phần cơ bản. Chiến lược điều khiển cho mạch lọc dạng lai ghép thường là căn cứ vào dòng hài của tải và dòng hài của nguồn. Mặc dù vậy vẫn chưa có nghiên cứu nào phân tích tổng quan chiến lược điều khiển, với một điều khiện cho trước thì lựa chọn điều khiển theo thành phần nào là tốt nhất. Nghiên cứu về điều khiển cho mạch lọc tích cực thì chủ yếu là dùng các phương pháp điều khiển trong miền thời gian và trong miền tần số, sử dụng các phương pháp điều khiển truyền thống như PI, Hysteresis, mờ 97109… chưa phù hợp với các điều khiển online thích nghi. Phương pháp điều khiển sử dụng các bộ điều khiển PI truyền thống, hysteresis, mờ, nơron, hệ suy diễn mờ – nơron thích nghi (adaptive network based fuzzy inference systemANFIS)…. Với bộ điều khiển PI truyền thống thì nó có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện 97102. Tuy nhiên, các thông số KP, KI là cố định trong toàn bộ quá trình điều khiển. Do đó với các tải đáp ứng nhanh thì đặc tuyến động của nó sẽ không tốt. Với bộ điều khiển hysteresis thì được đặc trưng bởi tính đơn giản, đáp ứng nhanh nhưng các khía cạnh khác lại cho kết quả rất tồi 103105. Với bộ điều khiển mờ thì có ưu điểm dễ hiểu, dễ định nghĩa, linh hoạt trong điều khiển, dễ dàng kết hợp với các phương pháp điều khiển truyền thống khác. Tuy nhiên nó có khuyết điểm là các hàm thuộc đầu vào ra là cố định, các hàm thuộc và các luật phụ thuộc quá nhiều vào kinh nghiệm của chuyên gia 106109. 2. Tính cấp thiết Ngày nay, vấn đề chất lượng điện năng đã trở thành một trong những tiêu chí quan trọng trong công nghiệp, hệ thống điện và đời sống của con người. Nguyên nhân dẫn đến chất lượng điện năng kém (méo dạng hài, độ méo dạng hài tổng lớn và hệ số công suất nhỏ…) là do có ngày càng nhiều các tải phi tuyến được kết nối vào lưới điện. Hiện nay, ở nước ta chỉ dùng tụ bù để nâng cao hệ số công suất. Tuy nhiên phương pháp dùng tụ bù thì không hiệu quả, không có khả năng cải thiện độ méo dạng hài, không linh hoạt trong bù công suất phản kháng, dễ gây mất ổn định trong hệ thống điện…Theo đó, để giải quyết các vấn đề trên, thì các mạch lọc thụ động thường được sử dụng để khử hài và bù công suất phản kháng. Mặc dù các mạch lọc thụ động có cấu trúc đơn giản, rẻ tiền và dễ sử dụng nhưng cũng tồn tại nhiều khuyết điểm như là: dễ xảy ra cộng hưởng với lưới điện, mất ổn định, khó để cải thiện độ méo dạng hài tổng và khả năng bù không linh hoạt…Từ đó, mạch lọc tích cực (APF) ra đời để giải quyết các khuyết điểm của mạch lọc thụ động. Tuy nhiên các APF (APF dạng truyền thống) cũng tồn tại nhiều khuyết điểm như là giá thành cao, dung lượng thấp, hiệu quả bù chưa cao và không dùng được trong các lưới điện áp cao, công suất lớn. Do đó vấn đề cấp thiết được đặt ra lúc này là làm thế nào để các APF có thể giảm được dung lượng, giá thành thấp, có thể áp dụng cho tất cả các tải có công suất lớn hay nhỏ, các lưới cao áp, nâng cao hơn nữa khả năng lọc hài và bù công suất phản kháng… Bởi vậy, nghiên cứu và cải tiến APF truyền thống có ý nghĩa cấp thiết góp phần vào việc cải thiện chất lượng điện năng, đặc biệt là cải thiện chất lượng điện năng ở các xí nghiệp, trường học, công ty…trong lúc dùng tụ bù tỏ ra không hiệu quả. 3. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu các khuyết điểm mạch lọc tích cực dạng truyền thống để giới thiệu các dạng mạch lọc tích cực mới nhằm giảm công suất của mạch lọc để có thể dùng được với tất cả các tải, mạng điện áp cao, chống hiện tượng cộng hưởng, nâng cao hiệu quả lọc hài và bù công suất phản kháng một cách hiệu quả hơn. Đồng thời đưa ra các chiến lược điều khiển tổng quát và điều khiển cho các dạng mạch lọc cải tiến để làm cơ sở cho các nghiên cứu sau này. Sự so sánh giữa các mô hình APF cải tiến cũng được đưa ra trong nghiên cứu này. 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Chỉ nghiên cứu trên mạch lọc tích cực, chỉ nghiên cứu trên lý thuyết, mô phỏng, để làm cơ sở cho thực nghiệm ở đề tài sau này. 5. Cách tiếp cận của đề tài Nghiên cứu tổng quan về mạch lọc tích cực (APF) dạng truyền thống từ đó dẫn ra các ưu điểm và đặc biệt là các khuyết điểm cần được cải tiến của nó, trên cơ sở đó đề xuất và xây dựng mô hình toán của APF dạng cải tiến trên cơ sở của mô hình toán cũ. Từ mô hình toán mới đưa ra các chiến lược điều khiển tổng quát cho từng dạng APF cải tiến. Phân tích và so sánh các phương pháp điều khiển. Cuối cùng là mô phỏng kiểm chứng tính hiệu quả, ứng dụng, khả năng lọc hài, bù của các mô hình và đưa ra kết luận. 6. Phương pháp nghiên cứu Phân tích thật kỹ trên mô hình APF truyền thống và đưa ra các khuyết điểm với APF dạng truyền thống có mô phỏng để kiểm chứng. Từ đó giới thiệu các mô hình APF dạng lai ghép để giải quyết được các vấn đề như phạm vi ứng dụng rộng, hiệu quả cao trong lọc hài và bù công suất phản kháng và đặc biệt là giảm được công suất của mạch APF. Cuối cùng là các mô phỏng để chứng minh tính hiệu quả của các mô hình APF dạng lai ghép. 7 Nội dung nghiên cứu + Tổng quan về mạch lọc + Phân tích các khuyết điểm cần cải tiến của APF dạng truyền thống + Đề xuất và xây dựng mô hình toán của các APF dạng cải tiến + Phân tích tổng quan chiến lược điều khiển cho từng dạng APF cải tiến + Phương pháp điều khiển cho APF dạng cải tiến + So sánh các mô hình APF cải tiến về phạm vi ứng dụng, hiệu quả + Viết các bài báo liên quan đến đề tài nghiên cứu + Báo cáo khoa học tổng kết đề tài. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH LỌC 1.1 Giới thiệu Trong những năm gần đây, sự gia tăng ngày càng nhiều của các tải có tích hợp điện tử công suất kết nối với lưới là một trong các nguyên nhân làm gia tăng các hài trong hệ thống điện, và vấn đề chất lượng điện năng trở thành một khái niệm quan trọng trong các hệ thống phân phối. Chuyên đề này giới thiệu tổng quan về mạch lọc, bao gồm các vấn đề như là: chất lượng điện năng, sự méo dạng hài, các tiêu chuẩn hài IEEE. Ngoài ra, ảnh hưởng của méo dạng hài đến chất lượng điện năng, các phương pháp loại trừ hài gồm: mạch lọc thụ động (Passive Power Filter – PPF), mạch lọc tích cực (Active Power Filter APF). 1.2 Chất lượng điện năng 1.2.1 Thành phần cơ bản của méo dạng hài Theo phân tích Fourier thì bất kỳ mộ dạng sóng nào cũng có thể phân tích thành tổng của một chuỗi các thành phần có tần số khác nhau. Hình 1.1 phân tích Fourier của một dạng sóng méo dạng. Phân tích Fourier đưa ra các thành phần của các sóng: thành phần cơ bản (tần số 50Hz) và các thành phần bội số nguyên của 50, được gọi là các thành phần hài. Từ hình 1.1 chúng ta có thể thấy rằng: dạng sóng méo dạng được phân tích ra thành thành phần cơ bản và các thành phần hài bậc 3th, 5th, 7th, 11th… Độ méo dạng hài tổng (THD) là chỉ số đo đạt chung nhất để chỉ ra độ méo dạng hài của một tín hiệu bất kỳ 13. Giá trị THD thường được chỉ ra cho cả dòng điện và điện áp và được định nghĩa là: “ giá trị trị hiệu dụng (rootmeansquare (rms) value) của các hài chia cho giá trị trị hiệu dụng của thành phần hài cơ bản, sau đó nhân cho 100% như phương trình dưới đây: 2 h THD h1 100% I1 (1.1) Trong đó: Ih là các giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng hài h và I1 là giá trị hiệu dụng của thành phần dòng hài cơ bản. Giá trị THD dòng điện thay đổi từ một ít phần trăm đến hơn 100%. Giá trị của điện áp thì thường thường ít hơn 5%. THD của điện áp nhỏ hơn 5% là tiêu chuẩn được chấp nhận và được ứng dụng rộng rãi, nếu giá trị của nó lớn hơn 10% là không thể chấp nhận được. 50Hz 150Hz 250Hz 350Hz 550Hz Hình 1.1 Phân tích Fourier của một dạng sóng méo dạng 1.2.2 Các tiêu chuẩn hài Thuật ngữ ‘‘power quality’’ mang nhiều nghĩa khác nhau tùy theo từng đối khác nhau. Trong công nghệ điện và điện tử công suất, thuật ngữ “power quality” có thể được hiểu là bao gồm các khái niệm: ổn định điện áp, tần số, điện áp sags, nối đất, các hài, sự dao động điện áp và các gai điện áp, quá độ và giám sát đo đạt. Theo đó, để đánh giá chất lượng điện năng của một hệ thống điện, các tổ chức quốc tế và các quốc gia đã đưa ra một chuỗi các tiêu chuẩn chất lượng điện năng. Theo đó để đảm bảo sự chắc chắn sự hoạt động an toàn của lưới, bảo vệ môi trường điện và người tiêu dùng điện. Tổ chức “American Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc”. (IEEE) 1992 đã đưa ra các tiêu chuẩn cho hệ thống điện (IEEE Std.5191992) 1, tiêu chuẩn 1999 IEEE (IEEE Std. 11591999) cung cấp chi tiết các định nghĩa của hài hệ thống, điện áp sags, độ dao động điện và các phương pháp đo đạt gai điện áp. Một tiêu chuẩn khác là “International Electrotechnical Commission (IEC)”. Tiêu chuẩn này đưa ra các tiêu chuẩn thiết kế và lắp đặt điện, các tiêu chuẩn kết nối. Tiêu chuẩn IEC bao gồm: các hướng dẫn tổng quát kỹ thật đo đạt kiểm tra cho hệ thống và các chuẩn kết nối thiết bị (IEC 6100047), các đặc điểm thiết kế, đo đạt , kiểm tra (IEC 61000415), và các phương pháp đo đạt chất lượng điện năng (IEC 61000430). Tiêu chuẩn IEC 61000430 định nghĩa các tiêu chuẩn đo đạt cho các dụng cụ 50Hz và 60Hz. Trong nghiên cứu này, các tiêu chuẩn hài theo tiêu chuẩn IEEE 5191992 sẽ được chọn để xem xét cho các thành phần và các phương pháp điều khiển. Bảng 1.1 đến 1.3 biểu diễn giới hạn dòng hài của tiêu chuẩn IEEE 5191992 cho các mức điện áp thay đổi. Bảng 1.4 biểu diễn các giới hạn điện áp hài. Trong đó h là bậc hài, THD là độ méo dạng hài tổng. Bảng 1.1 Các giới hạn méo dạng hài cho hệ thống, 120 V–69 kV Độ méo dạng dòng hài lớn nhất tính theo phần trăm của IL Các bậc hài riêng lẻ h (Odd Harmonics) ISCIL 11 11 h 1 1 h 23 23 h 35 h 35 THD% 20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 2050 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 50100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 1001000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0 1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0 Bảng 1.2 Các giới hạn méo dạng hài cho hệ thống 69–161 kV Độ méo dạng dòng hài lớn nhất tính theo phần trăm của IL Các bậc hài riêng lẻ h (Odd Harmonics) ISCIL 11 11 h 1 1 h 23 23 h 35 h 35 THD% 20 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5 2050 3.5 1.75 1.25 0.5 0.25 4.0 50100 5.0 2.25 2.0 0.75 0.35 6.0 1001000 6.0 2.75 2.5 1.0 0.5 7.5 1000 7.5 3.5 3.0 1.25 0.7 10.0 Bảng 1.3 Các giới hạn méo dạng hài cho các hệ thống truyền tải có điện áp lớn hơn 161 kV Độ méo dạng dòng hài lớn nhất % IL Các hài thành phần ISCIL 11 11 h 1 1 h 23 23 h 35 h 35 THD% 50 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5 50 3.0 1.5 1.15 0.45 0.22 3.75 Bảng 1.4 Các giới hạn méo dạng điện áp Điện áp Bus tại PCC Biên độ hài (%) Độ méo dạng hài tổng (THD %) 69kV 3.0 5.0 69161kV 1.5 2.5 161kV 1.0 1.5 1.2.3 Ảnh hưởng của độ méo dạng hài đến chất lượng điện năng Các hài được tạo ra bởi sự truyền tải, các hệ thống phối và các thiết bị điện 3. Các thiết bị điện đa phần là các tải phi tuyến, các tải phi tuyến này làm cho điện áp, dòng điện bị méo dạng. Sự hiện diện của các hài trong hệ thống điện là nguyên nhân làm cho chất lượng điện năng xấu đi. Cụ thể là khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài, sẽ dẫn đến hàng loạt những vấn đề sau : • Làm tăng phát nóng của các thiết bị điện, dây dẫn điện. • Ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu, khả năng mang tải của dây dẫn điện. • Ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ ( tác động sai ):cầu chì, CB, relay, Đồng thời các thiết bị đo đếm như kWh ghi nhận sai dữ liệu. • Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng, ảnh hưởng đến mô men trên trục của động cơ. • Làm các mạch PLL trong điều khiển hoạt động sai. • Ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông. • Làm tăng tổn thất và gây dao động điện áp • Sự thay đổi tần số lưới 1.3 Các phương pháp loại trừ hài Bởi vì ảnh hưởng của độ méo dạng hài đến chất lượng hệ thống điện là rất nghiêm trọng. Theo đó, Độ méo dạng hài trong hệ thống điện có thể được loại trừ thông qua hai biện pháp cơ bản sau đây: 1. Mạch lọc thụ động ( Passive Power Filter – PPF) 2. Mạch lọc tích cực (Active Power Filter – APF) 1.3.1 Mạch lọc thụ động Đây là giải pháp truyền thống và đơn giản nhất để loại trừ độ méo dạng hài trong hệ thống điện. Nó đã và đang tồn tại trong một thời gian dài. Mạch lọc thụ động có cấu trúc đơn giản, giá thành thấp, vận hành tin cậy, chi phí hoạt động thấp 37, 19… PPF có hai dạng chính là dạng cộng hưởng và dạng thông cao. Các mạch lọc cộng hưởng bao gồm: mạch lọc cộng hưởng đơn và kép. Mạch lọc thông cao bao gồm mạch lọc thông cao bậc 1, bậc 2, bậc 3 và mạch lọc kiểu C. C C L R L R 2 R C1 C 2 C 2 L R R L (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 1.2 Các dạng chính của mạch lọc PPF Mạch lọc cộng hưởng đơn là kiểu thông dụng và kinh tế nhất của mạch lọc thụ động. Nó chứa một cuộn cảm và một tụ điện. Chức năng của nó cho phép một tín hiệu chảy qua nó bằng cách cung cấp một trở kháng thấp tại tần số cộng hưởng và nó tạo ra một trở kháng lớn tại các tần số khác. Trở kháng cộng hưởng của một mạch lọc cộng hưởng đơn cho hài bậc nth là: ZTn R j(nωs L 1 ) nωsC (1.2) Trong đó ωs là tần số góc cơ bản, tần số cộng hưởng của mạch lọc là: f0 (1.3) Định nghĩa hệ số chất lượng Q ω0 L R 1 ω0RC (1.4) Trong đó ω0 là tần số góc cộng hưởng. Giá trị của R có thể thu được bằng cách lựa chọn một giá trị tương thích của hệ số chất lượng trong dãi 30