(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ HỒNG LAN KH MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ HỒNG LAN KH MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ HỒNG LAN KH MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN THU HÀ Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ tên: Võ Hoàng Lan Khuê Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 24/09/1982 Nơi sinh: Kon Tum Quê quán: TP Huế - Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: B711, CC An Bình, P An Bình, TX Dĩ An, Bình Dương Điện thoại: 0987250939 E-mail: vohoanglankhue@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo: 1998 đến 2001 Nơi học (trường, thành phố): Trường Trung Học Công Nghiệp Huế, T.T Huế Ngành học: Điện tử Đại học: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo: 2003 đến 2007 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, TP HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử Môn thi tốt nghiệp: PLC, Truyền hình số, Quản lý dự án, Vi Xử lý giao tiếp với máy tính III Q TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian 09/2007 - 2012 09/2014 - Nơi công tác Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng – TP Hồ Chí Minh Trường Cao đẳng Cơng Nghệ Thủ Đức – TP Hồ Chí Minh Trang i Cơng việc đảm nhiệm Giảng viên Giảng viên LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2016 Người cam đoan Võ Hoàng Lan Khuê Trang ii LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn cô PGS.TS Trần Thu Hà tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Chân thành cảm ơn q thầy Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM giảng dạy suốt hai năm học Xin cám ơn anh chị học viên lớp giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm động viên suốt thời gian thực đề tài Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình động viên tơi suốt q trình học tập Trang iii LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT Với phát triển ngành công nghiệp đại, tải phi tuyến động cơ, thiết bị điện tử ( biến tần, chỉnh lưu chuyển mạch công suất) sử dụng rộng rãi Các tải phi tuyến hoạt động tạo sóng hài lưới điện dẫn đến dạng sóng dịng điện điện áp nguồn cung cấp bị biến dạng chất lượng điện giảm Sóng hài làm tăng nhiệt độ hệ thống, giảm công suất gây nhiễu lên lưới điện Bộ lọc thụ động sử dụng để giảm sóng hài, cải thiện chất lượng điện năng, giải pháp tốn kém, cồng kềnh sử dụng cho tải khơng đổi Những vấn đề khắc phục cách sử dụng lọc tích cực Có hai loại lọc sử dụng, lọc tích cực nối tiếp song song Bộ lọc tích cực nối tiếp sử dụng để triệt tiêu điện áp hài, cịn lọc tích cực song song để triệt tiêu dòng điện hài Luận văn nghiên cứu lọc tích cực song song ba pha ba dây, lọc sóng hài tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây Sơ đồ điều khiển lọc đề xuất thuật tốn điều khiển dịng điện trực tiếp, có khâu điều khiển trượt Sơ đồ mạch điện mô phần mềm MATLAB-SIMULINK THD dòng điện nguồn giảm từ 26,80% xuống 2,30% Kết lọc tích cực thiết kế làm giảm đáng kể lượng sóng địng điện, hoạt động đáp ứng yêu cầu đề Trang iv LUẬN VĂN THẠC SĨ ABSTRACT With the growing and development of modern industry, a various nonlinear and time-varying electronic devices such as inverters, rectifiers, and switching power supplies are widely utilized These solid-state converters inject harmonics into the power lines and result in serious distortion in the supply current and voltage and decrease the power quality Harmonics increase the conduction losses, eddy current losses and also have bad impacts on other loads connected to the same voltage source Passive filters can be used to improve the power quality, but these are expensive and bulky solutions These problems can be overcome by use of active power filter (APF) Two types of APFs exist; shunt APFs and series APFs Shunt APFs are used to compensate current harmonics, while series APFs are used to compensate the voltage harmonics caused by nonlinear loads This thesis presents a three-phase three-wire shunt active filter configuration The proposed scheme implements simplified control algorithms depending on the direct current control (DCC) techniques for designing trajectories in sliding mode control based shunt active power filter (SAPF) The performances of the AF were verified through a simulation with MATLAB-SIMULINK The THD of source current is reduced from 26,80% to 2,30% The results indicate that proposed active filter can reduce the current harmonics Trang v LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt viii Danh sách hình ix Danh sách bảng xii Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sóng hài hệ thống điện 2.2 Các phương pháp lọc sóng hài 16 2.3 Điều khiển trượt 20 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG BA PHA BA DÂY TRÊN MATLAB SIMULINK 25 3.1 Cấu hình lọc ba pha 26 3.2 Kỹ thuật điều khiển cho lọc 27 3.3 Thiết kế mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây 29 3.4 Xây dựng mơ hình mô matlab simulink 37 Trang vi LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 44 4.1 Khảo sát hệ thống chưa có mạch lọc 45 4.2 Khảo sát hệ thống mạch lọc AF đóng điện vào lưới 50 4.3 Khảo sát hệ thống mạch lọc tích cực có điều khiển trượt (SMAF) 56 4.4 Đánh giá kết mô 63 4.5 So sánh với mơ hình Juntao Fie [4] 64 Chương KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Trang vii LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.27: Dạng sóng điện áp lọc lọc SMAF điểm kết nối vào mạng Khi lọc có thêm khâu điều khiển trượt đóng điện vào lưới thời điểm 0,03s, dạng sóng điện áp lọc điểm kết nối vào lưới hình 4.27 4.28 Hình 4.28: Dạng sóng điện áp lọc lọc SMAF pha a điểm kết nối vào mạng Trang 58 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.29: Dạng sóng dịng điện lọc SMAF điểm kết nối vào mạng Bộ lọc phát vào lưới sóng hài ngược pha với dòng hài tải gây (dạng sóng hình 4.29 4.30) Hình 4.30: Dạng sóng dịng điện lọc SMAF pha a điểm kết nối vào mạng Hình 4.31: Dạng sóng dịng điện tham chiếu pha a lọc SMAF Hình 4.31 dạng sóng tín hiệu dịng điện tham chiếu, thành phần dòng điện tải Trang 59 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.32: Dạng sóng dịng điện nguồn pha a có SMAF Như có lọc SMAF đóng điện vào lưới thời điểm t = 0,03s lọc phát dòng điện hài ngược pha với thành phần hài tải kết dạng sóng dịng điện nguồn sin hình 4.32 Hình 4.33: Sai lệch dòng điện tham chiếu dòng điện nguồn có SMAF Hình 4.34: Dạng sóng điện áp tụ lọc SMAF Trang 60 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.35: Tín hiệu ngõ vào I*F mạch Hysteresis SMAF Hình 4.36: Tín hiệu ngõ vào IF mạch Hysteresis SMAF Hình 4.37: Sai lệch dịng điện I*F IF SMAF Trang 61 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.38: Xung kích pha, ngõ mạch Hysteresis SMAF Hình 4.39: Ngõ vào mạch Hysteresis SMAF Hình 4.40: Dạng sóng dịng điện tải pha a có mạch lọc SMAF Hình 4.41: Dạng sóng dịng điện nguồn pha a có mạch lọc SMAF Trang 62 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.42: Dạng sóng dịng điện nguồn tải có mạch lọc SMAF Hình 4.42 biểu diễn dạng sóng dịng điện nguồn tải có mạch lọc SMAF đồ thị, tín hiệu nét đứt dạng sóng dịng điện tải bị méo dạng tải phi tuyến gây ra, tín hiệu nét liền dạng sóng dịng điện nguồn túy sin Và THD dòng điện nguồn cịn 2.30% hình 4.43 Trang 63 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.43: THD dịng điện nguồn pha a có mạch lọc SMAF Kết luận: Hình 4.40 hiển thị dạng sóng dịng điện tải Hình 4.41 hiển thị dạng sóng dịng điện nguồn hình 4.43 hiển thị THD dòng điện nguồn với THD = 2,30 t = 0,05s Hình 4.42 hiển thị dạng sóng dịng điện tải nguồn đồ thị Khi có lọc có thêm khâu điều khiển trượt THD dịng điện nguồn giảm từ 2,32% xuống cịn 2,30% (hình 4.43) Trang 64 LUẬN VĂN THẠC SĨ 4.4 Đánh giá kết mô Như mạch điện tải khơng tuyến tính làm cho dạng sóng dịng điện nguồn cung cấp bị biến dạng, cơng suất tải tăng cao độ biến dạng cường độ tăng cao Qua phân tích mơ ta thấy mạch lọc đề xuất phát lên lưới dạng sóng hài ngược pha với sóng hài tải gây làm triệt tiêu sóng hài lưới, dòng điện nguồn cung cấp sin Khi chưa lọc thời điểm t = 0,05s, THD dòng điện nguồn 26,80% (Hình 4.9), có mạch lọc tích cực AF thì THD dịng điện nguồn 2,32% (Hình 4.26), , mạch lọc có khâu có khâu điều khiển trượt, THD dịng điện nguồn 2,30% (Hình 4.43) Như đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 tiêu chuẩn sóng hài Bộ Cơng Thương qui định, trường hợp chưa sử dụng lọc tích cực thành phần sóng điều hịa dịng điện tải vượt tiêu chuẩn cho phép quy định theo bảng tiêu chuẩn Khi lắp thêm lọc tích cực hệ số méo dạng dịng điện THD dịng điện nguồn (is) giảm xuống hai trường hợp (chưa có khối điều khiển trượt 2,32%, có khối điều khiển trượt 2,30%) Ta thấy sử dụng lọc đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 tiêu chuẩn sóng hài Bộ Cơng Thương qui định, nhiên có sử dụng thêm điều khiển trượt kết tối ưu Ngồi q trình hoạt động phụ tải có thay đổi lọc đảm bảo hạn chế lượng hài gây độ méo dạng THD% đảm bảo giới hạn cho phép Qua phân tích mơ kết cho mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây cho kết tốt, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Trang 65 LUẬN VĂN THẠC SĨ 4.5 So sánh với mơ hình Juntao Fie [4] Juntao Fie [4] nghiên cứu lọc tích cực ba pha ba dây điều khiển dòng điện gián tiếp để giảm sóng hài dịng điện tải phi tuyến gây lưới Để đánh giá hiệu suất mơ hình thiết kế, tác giả tiến hành mô mô hình theo thơng số hệ thống mạng điện thơng số hệ thống mạng mơ hình Juntao Fie Tiến hành thay đổi thông số hệ thống theo bảng 4.2 giống thơng số mơ hình Juntao Fie để so sánh kết hai mơ hình Bảng 4.2: Thơng số mơ hai mơ hình: STT THƠNG SỐ GIÁ TRỊ Nguồn có giá trị hiệu dụng dây Vrms Tần số nguồn cung cấp 50Hz Điện trở đường dây Rs 5 Điện cảm đường dây Ls 5e-6H Điện trở tải không cân RL 10 Điện cảm tải không cân LL 2e-3H Trang 66 110√ V LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.44: THD dịng điện nguồn pha a mơ hình Juntao Fie Trang 67 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.45: THD dịng điện nguồn pha a mơ hình đề tài Như theo kết mơ Juntao Fie THD dòng điện nguồn pha a t = 0.05 giây 2,51% (hình 4.44), cịn theo kết mơ nghiên cứu đề tài THD dịng điện nguồn pha a 2,00% (hình 4.45) Như mơ hình thiết kế đề tài đạt kết tối ưu Trang 68 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG KẾT LUẬN Luận văn “Mơ hình hóa mơ lọc tích cực ba pha ba dây” thực vấn đề sau: Tìm hiểu thành phần gây sóng hài, nguyên nhân, tác hại sóng hài Các qui định sóng hài theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 qui định sóng hài Bộ Cơng Thương theo thơng tư 32/2010/TT-BCT ngày 30/07/2010 Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài, lý thuyết điều khiển trượt Phân tích cấu hình lọc, cấu hình mạch nghịch lưu lọc, phương pháp điều khiển nghịch lưu Đề xuất phương pháp điều khiển dòng điện trực tiếp, có khâu điều khiển trượt để thiết kế mạch điều khiển, điều khiển mạch nghịch lưu lọc để giảm sóng hài tải gây lưới Xây dựng mơ hình mơ mạch lọc tích cực ba pha ba dây để lọc sóng hài tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây Đã đề xuất thuật toán điều khiển dịng điện trực tiếp cho lọc, có khâu điều khiển trượt, mạch lọc làm giảm lượng sóng hài tải phi tuyến gây lưới So sánh mơ hình thiết kế với mơ hình tác giả Juntao Fie [4], chất lượng mơ hình thiết kế có hiệu suất cao Qua q trình nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế Luận văn thực việc mơ hình hóa mơ hệ thống phần mềm Matlab 2013B, kết mô ta thấy mạch lọc tích cực thiết kế làm việc tốt, dịng điện nguồn sau lọc có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn IEEE 519 – 1992 tiêu chuẩn sóng hài Bộ Công Thương qui định Trang 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tuy nhiên thời gian nghiên cứu cịn hạn chế, luận văn chưa tìm hiểu nghiên cứu hết ưu điểm, nhược điểm phương pháp lọc sóng hài loại cấu hình hệ thống điện khác với tải phi tuyến khác nhau, luận văn chưa đề xuất phương pháp lọc tối ưu Trong q trình mơ chưa đưa thông số hài thực tế, đề tài đưa số tải giả định cố định (bộ chỉnh lưu tải RL), chưa khảo sát đến thay đổi công suất tải lớn ảnh hưởng đến mạch lọc Chỉ xây dựng điều khiển mức bản, chưa đưa biện pháp nâng cao chất lượng điều khiển Trong trình thực đề tài chưa thực mơ hình thực để kiểm chứng, kết mô MatLab/Simulink Cũng từ vấn đề nghiên cứu tác giả đưa số vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo:  Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm kiểm nghiệm kết mô tải thực  Kết hợp phương pháp điều khiển khác (hệ mờ, nơron…) tạo trượt có chất lượng cao Trang 71 LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh Thiết kế lọc tích cực cho việc giảm hài dịng điện bù cơng suất phản kháng cho nguồn lị nấu thép cảm ứng Tạp chí khoa học cơng nghệ, đại học Đà Nẵng - số 4(33), 2009 Farid Hamoudi, Aziz Chaghi, Mouloud Adli, Hocine Amimeur A sliding mode control for four–wire shunt active filter Journal of electrical engineering, vol.62, no.5, 2011, 267–273 Juntao Fei, Tianhua Li, F eng Wang, and Wanru Juan A Novel Sliding Mode Control Technique for Indirect Current Controlled Active Power Filter Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering Volume 2012, Article ID 549782, 18 pages Lê Thị Thu Uyên Ứng dụng lọc tích cực để giảm sóng hài cho lưới điện nhà máy xi măng Tây Ninh Luận văn thạc sĩ Đại học Đà Nẵng, 2012 Soumya Ranjan Mohapatra, Pravat Kumar Ray A Fixed Switching Frequency Adaptive Sliding Mode Controller for Shunt Active Power Filter System IEEE Tencon-2014 Proceeding 22-25 October 2014, Bangkok, Thailand, 2014 ThS Phạm Văn Hiệp Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm lượng thông qua việc lọc, thu sử dụng lượng sóng hài Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường đại học điện lực, 2011 Võ Tuấn Ứng dụng hệ mờ nơ ron điều khiển lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng Luận văn thạc sĩ Đại học Đà Nẵng, 2012 Trang 72 S K L 0 ... tích Sau gửi tín hiệu đến thiết bị nghịch lưu để điều khiển tạo sóng hài ngược pha 3.1 Cấu hình lọc ba pha Hình 3.2: Cấu hình mạch lọc tích cực (AF) ba pha ba dây Cấu hình mạch lọc tích cực ba. .. mang (Carrier-Based PWM Current Control)… 3.3 Thiết kế mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây Hình 3.5: Sơ đồ khối lọc tích cực ba pha ba dây Sơ đồ khối lọc tích cực miêu tả hình 3.5 Trong... hình hóa mơ lọc tích cực ba pha ba dây? ?? 1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan Trên giới nước có nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu sâu vào nghiên cứu mơ hình lọc tích cực lọc tích cực pha, lọc