Luận văn nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƢƠNG TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP LƢƠNG TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN XUÂN MINH PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Lƣơng Trung Hiếu Học viên: Lớp cao học K20, Trƣờng 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 đƣợc trình bày luận văn nghiên cứu riêng cá nhân tôi, dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Trần Xuân Minh giúp đỡ cán Khoa Điện, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Ngun Mọi thơng tin trích dẫn luận văn đƣợc ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm số liệu luận văn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Học viên thực Lƣơng Trung Hiếu Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực luận văn nhận đƣợc hƣớng dẫn, bảo tận tình PGS.TS Trần Xuân Minh, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn luận văn cho 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 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện giúp đỡ tốt để tơi hồn thành đề tài nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn đóng góp quý báu bạn cung lớp động viên giúp đỡ tơi q 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, tơi xin đƣợc bày tỏ lịng 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 hoàn thiện luận văn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019 Học viên Lƣơng Trung Hiếu Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 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 tƣợng phạm vi nghiên cứu Công cụ, thiết bị nghiên cứu Bố cục đề tài Kế hoạch thực Chƣơng TỔNG QUAN LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 1.1 Tổng quan chung 1.1.1 Định nghĩa lƣới điện trung áp 1.1.2 Phân loại lƣới điện trung áp 1.1.3 Vai trò lƣới điện trung áp 1.1.4 Các phần tử lƣới điện trung áp 1.1.5 Cấu trúc lƣới điện trung áp 1.1.6 Đặc điểm lƣới điện trung áp 10 1.2 Hiện trạng lƣới điện trung áp Việt Nam 11 1.2.1 Tình hình phát triển lƣới điện trung áp 11 1.2.2 Tình hình phát triển phụ tải điện 11 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv 1.3 Kết luận chƣơng 12 Chƣơng SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ PHƢƠNG PHÁP KHỬ SÓNG HÀI 15 2.1 Đặt vấn đề 15 2.2 Tổng quan sóng điều hịa bậc cao 15 2.2.1 Ảnh hƣởng sóng điều hịa bậc cao quy định giới hạn thành phần sóng điều hịa bậc cao lƣới điện 20 2.2.2 Một số nguồn tạo sóng điều hịa bậc cao công nghiệp 22 2.3 Phƣơng pháp khử sóng hài bậc cao 27 2.3.1 Bộ lọc sóng điều hịa bậc cao 27 2.3.2 Phân loại nguyên lý làm việc lọc tích cực 2.3.3 Bộ lọc hỗn hợp 39 2.3.4 Các thiết bị bù công suất phản kháng 40 2.4 Kết luận chƣơng 48 Chƣơng THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN 49 3.1 Đặt vấn đề 49 3.2 Lý thuyết phƣơng pháp lọc tích cực 49 3.2.1 Các phƣơng pháp lọc tích cực dựa miền tần số 49 3.2.2 Các phƣơng pháp lọc tích cực dựa miền thời gian 50 3.3 Mơ hình bể điện phân 56 3.4 Cấu trúc lọc tích cực 60 3.5 Kết luận chƣơng 72 Chƣơng MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 74 4.1 Xây dựng mơ hình lọc phần mềm Matlab/Simulink [4] 74 4.1.1 Nguồn xoay chiều pha 74 4.1.2 Khối mạch lực 74 4.1.3 Khối điều khiển dòng 76 4.1.6 Khâu lấy tín hiệu đo dịng điện điện áp ba pha 81 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v 4.1.7 Khâu đo dòng điện, điện áp 82 4.2 Sơ đồ kết mô 82 4.2.1 Mô trƣờng hợp chƣa có lọc tích cực 83 4.2.2 Mơ trƣờng hợp có lọc tích cực 87 4.4 Kết luận chƣơng 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT Thuật ngữ đầy đủ Chữ viết tắt Chú thích CSPK Cơng 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 Hệ số công suất Bù công suất kiểu tĩnh Đơn vị Var Volt-ampere reactive công suất phản kháng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu điện áp 21 Bảng 2.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 giới hạn nhiễu dòng điện 21 Bảng 2.3: IEC 1000-3-4 22 Bảng 3.1: Modul vector biên trái, biên phải thành phần điện áp us, us 70 Bảng 3.2: Thuật toán điều chế vector không gian 71 Bảng 4.1 Tỷ lệ thành phần dòng điều hòa dòng điện nguồn 85 Bảng 4.2: Giá trị thành phần sóng điều hịa dịng điện nguồn 90 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Sơ đồ lƣới phân phối hình tia Hình 1.2: Sơ đồ lƣới phân phối hình tia có phân đoạn Hình 1.3: Sơ đồ lƣới kín vận hành hở nguồn cung cấp Hình 1.4: Sơ đồ lƣới kín vận hành hở nguồn cung cấp độc lập Hình 1.5 Sơ đồ lƣới điện kiểu đƣờng trục Hình 1.6: Sơ đồ lƣới điện có đƣờng 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) 16 Hình 2.2: Các thành phần sóng điều hịa 17 Hình 2.3: Phân tích Fn thành an bn 18 Hình 2.4: Phổ thành phần điều hịa 19 Hình 2.5: Mơ hình chỉnh lƣu cầu Đi ốt pha 23 Hình 2.6: Dịng điện nguồn sinh chỉnh lƣu cầu Đi ốt pha 23 Hình 2.7: Chỉnh lƣu cầu Đi ốt pha, dạng dòng điện phổ 23 Hình 2.8: Mơ hình chỉnh lƣu cầu Đi ốt pha 24 Hình 2.9: Dòng điện nguồn sinh chỉnh lƣu cầu Đi ốt pha 24 Hình 2.10: Chỉnh lƣu cầu Đi ốt pha, dạng dòng điện phổ 25 Hình 2.11: Chỉnh lƣu Thyristor cầu pha 25 Hình 2.12: Dòng điện pha A 26 Hình 2.13: Dạng dịng điện iA phổ 26 Hình 2.14: Bộ lọc RC 28 Hình 2.15: Bộ lọc LC 29 Hình 2.16: Sơ đồ mơ hệ thống chƣa có lọc thụ động 29 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 82 Hình 4.15: Khâu lấy tín hiệu 4.1.7 Khâu đo dịng điện, điện áp U_V i + - - + v i_A Hình 4.16: Khâu đo dòng điện, điện áp 4.2 Sơ đồ kết mô Trong thiết kế hệ điều khiển, phƣơng pháp mơ có vai trị quan trọng Nhờ có phƣơng pháp mà ngƣời thiết kế mô quan sát đƣợc hoạt động hệ thống nhƣ tính ổn định, bền vững Mơ cơng cụ giúp có đƣợc hình ảnh trực quan đối tƣợng 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 trƣớc đƣa vào ứng dụng hay đối tƣợng nghiên cứu mà ta khơng có điều kiện kiểm nghiệm thực tế Nhƣ mô bƣớc việc xây dựng luật điều khiển trình thiết kế, chế tạo Chỉ kết mô đạt tiêu chất lƣợng 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 đƣợc lọc tích cực dựa lý thuyết p-q thực phầm mềm Matlab/Simulink Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 83 Để đánh giá chất lƣợng lọc ta tiến hành khảo sát trƣờng hợp hệ thống điện cung cấp cho tải bể mạ trƣớc sau có lọc 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 Time (s) 2.06 2.07 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN 2.08 2.09 2.1 http://lrc.tnu.edu.vn 84 Hình 4.18: Dạng dòng điện nguồn 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 dịng điện pha A giá trị khác E cho kết quả: Hình 4.20 Phân tích sóng điều hịa dịng điện nguồn pha A E = (V) Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 85 Hình 4.21 Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A E = 16 (V) 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 Tỷ lệ thành phần sóng điều hòa (%) 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 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 86 9,16 17 0,33 18 7,32 19 - Hệ số công suất lƣới 7,98 0,35 5,24 4,44 0,02 3,96 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% vƣợt xa trị số số quy định tiêu chuẩn hệ số THD phải nhỏ 5% Ngồi hệ số cơng 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 nhƣ khơng có thành phần điều hịa bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19 chiếm tỷ lệ lớn Các thành phần gây chỉnh lƣu cầu ba pha Trong thành phần sóng điều hòa bậc bậc chiếm tỷ lệ lớn Căn theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 ta nhận thấy thành phần sóng điều hịa dòng điện lƣới vƣợt tiêu chuẩn cho Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 87 phép đƣợc quy định theo tiêu chuẩn Do cần có biện pháp để đảm bảo hạn chế đƣợc thành phần dòng điều hòa bậc cao lƣới Biện pháp đƣợc sử dụng sử dụng mạch lọc tích cực 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 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN Time (s) 0.08 0.09 0.1 http://lrc.tnu.edu.vn 88 Hình 4.25: Điện áp nguồn cấp cho bể mạ - Đáp ứng dịng điện nguồn phía trƣớc mạch lọc: Cho ta thấy dịng điện có dạng hình sin, thành phần dòng điều hòa bậc cao đƣợc 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 đƣợc chất lƣợng 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 đƣợc thực thơng qua phân tích điều hịa dịng điện bậc cao Ta phân tích với dịng pha A Dòng 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: Dòng điện nguồn pha A sau lọc tác động Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 89 Tiếp theo ta phân tích phổ dịng điện pha A thời điểm khác sau mạch lọc tác động qua thấy đƣợc tác động mạch lọc tích cực biến thiên thành phần sóng điều hịa bậc cao sức điện động E thay đổi trình mạ 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 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 90 Hình 4.30: Phổ sóng điều hịa dịng điện pha A E=22 (V) 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 (