(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 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 mơ 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 CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hệ thống lưới điện bị gây hại nhiều tác nhân, nguy tiềm ẩn làm cản trở hoạt động làm hao mịn thiết bị người nhận biết sóng hài - mối nguy tiềm ẩn phát đầu thập niên 1890 Sóng hài dịng điện khơng mong muốn làm q tải đường dây biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc chí gây hỏa hoạn) gây nhiễu lên lưới điện Trong trường hợp chạy nhiều động lúc, khơng có biện pháp kiểm sốt sóng hài làm tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) làm máy ngừng chạy (do nguồn bị tải) Tác hại sóng hài với lưới điện giá trị hiệu dụng giá trị biên độ tín hiệu điện áp hay dịng điện tăng sóng hài kéo theo loạt nguy hại xảy với toàn hệ thống lưới điện làm tăng phát nóng dây dẫn điện, thiết bị điện sinh nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn nguy cháy nổ; làm cho tụ điện bị nhiệt nhiều trường hợp dẫn tới phá hủy chất điện mơi Các sóng điều hịa bậc cao cịn làm momen tác động rơle biến dạng gây tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm UPS đồng thời gây tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA dẫn đến làm tăng tổn thất điện Ngồi ra, sóng hài cịn làm tổn hao cuộn dây lõi thép động tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, ảnh hưởng đến sai số thiết bị đo, làm cho kết đo bị sai lệch Nguy hại hơn, sóng điều hịa bậc cao cịn sinh momen xoắn trục động gây dao động cộng hưởng khí làm hỏng phận khí động cơ; làm thiết bị sử dụng điện đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng Trang LUẬN VĂN THẠC SĨ đến người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng Nếu phải thay thiết bị hư hỏng nguyên nhân gây sóng hài, điều làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% kinh phí vận hành đến 10% Trong ngành cơng nghiệp, bảo vệ lợi nhuận ưu tiên hàng đầu, kiểm soát thiết bị kinh phí vận hành nhân tố quan trọng Muốn đạt mục tiêu doanh nghiệp, tổ chức cần lưu tâm làm tốt cơng tác hạn chế tác hại sóng hài Việc sử dụng thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, quan tâm năm gần Một phương pháp lọc sóng hài sử dụng lọc tích cực Điều khiển dòng điện phát từ lọc để triệt tiêu dịng điện hài Do người thực chọn đề tài “Mơ 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 tích cực ba pha ba dây, lọc tích cực ba pha bốn dây, nghiên cứu đa dạng, sử dụng thuật toán điều khiển đại điều khiển PID, điều khiển trượt, điều khiển logic mờ - nơron… Mỗi đề tài nghiên cứu có đặc điểm riêng tương ứng với mục đích nghiên cứu thiết kế, chế tạo Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh [1] nghiên cứu ảnh hưởng lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp sở thiết kế lọc tích cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hịa dòng điện bậc cao bù CSPK cho nguồn lò Đặc điểm lị loại tải cơng suất lớn, mức độ phi tuyến mạnh gánh nặng cho nguồn cung cấp công suất phản kháng (CSPK) Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp sở thiết kế lọc tích cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng điện bậc cao bù Trang 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 dịng 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 dòng điện tham chiếu, thành phần dịng 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 dịng điện tham chiếu dịng 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 dòng 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 dịng 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 dịng 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 không tuyến tính làm cho dạng sóng dịng điện nguồn cung cấp bị biến dạng, công 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, dịng điện nguồn cung cấp sin Khi chưa lọc thời điểm t = 0,05s, THD dịng 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 dòng 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 dòng 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 dịng 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 mơ mơ hình theo thơng số hệ thống mạng điện thông số hệ thống mạng mô hình Juntao Fie Tiến hành thay đổi thơng số hệ thống theo bảng 4.2 giống thông số mô 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 mô Juntao Fie THD dịng 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 “Mô 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 thông 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 dịng 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 mô 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 tốn 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 trình nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế Luận văn thực việc mơ hình hóa mơ hệ thống phần mềm Matlab 2013B, kết mơ ta thấy mạch lọc tích cực thiết kế làm việc tốt, dòng 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 Cơng 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 công 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 lị 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... mơ hình mơ matlab simulink Hình 3.9: Sơ đồ lọc tích cực Matlab – Simulink Trang 38 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mô hình lọc tích cực song song ba pha ba dây biểu diễn hình 3.9 3.4.1 Nguồn xoay chiều ba pha