3.3.1. Nguyờn lý điều khiển
Trong cấu trỳc này, nghịch lưu PWM thực hiện cả chức năng lọc súng điều hũa bậc cao và bự CSPK. Sơ đồ cấu trỳc điều khiển như hỡnh 3.12
Nguồn một chiều cấp cho nghịch lưu cú thể cấp trực tiếp từ nguồn một chiều hoặc
Tớnh toỏn u, u Tớnh toỏn i, i Tớnh toỏn p q Tớnh toỏn ic* ic Tớnh toỏn ica* icb* icc*
67
từ tụ điện. Trong thực tế người ta thường sử dụng tụ điện để tạo điện ỏp một chiều cấp cho bộ nghịch lưu.
Để đảm bảo nguồn một chiều cấp cho nghịch lưu cú giỏ trị ổn định một bộ điều chỉnh điện ỏp được sử dụng. Điện ỏp trờn tụ C được đo và so sỏnh với giỏ trị điện ỏp chuẩn udc_ref – udc. Sai lệch của hai tớn hiệu này được đưa vào bộ điều khiển PI, tớn hiệu ra của bộ điều khiển được sử dụng để tớnh toỏn dũng bự ic* và ic* cần thiết để loại bỏ súng điều hũa bậc cao và bự CSPK. Dũng bự này được coi như là tớn hiệu chuẩn và dũng điện phỏt ra bởi bộ nghịch lưu phải đảm bảo bỏm theo dũng này. Để thực hiện việc này cú thể cú nhiều cỏch nhưng phương phỏp điều khiển dũng theo phương phỏp dũng chuẩn (hysteresis current control) là phương phỏp điều khiển được sử dụng phổ biến bởi những ưu điểm của nú như đỏp ứng dũng điện nhanh, chớnh xỏc, đơn giản và dễ thực hiện.
Đầu vào của bộ điều khiển được lấy từ sai lệch khi so sỏnh dũng thực ih và dũng chuẩn ih*, từ đú tạo ra xung đúng cắt bộ nghịch lưu để đảm bảo dũng bự cấp từ bộ nghịch lưu bỏm theo dũng bự chuẩn ih* được tớnh từ thuyết p-q tức thời. Tiếp theo ta xem xột nguyờn lý hoạt động của bộ điều khiển dũng điện theo dũng điện chuẩn.
Hỡnh 3.12.Cấu trỳc điều khiển nghịch lưu PWM làm bộ lọc tớch cực Tải
Tớnh toỏn p, q
Tớnh toỏn ic*, ic
68
3.3.2. Nguyờn lý điều khiển dũng theo dũng điện chuẩn
Cơ sở của phương phỏp điều khiển thớch nghi là phương phỏp điều khiển dựa trờn việc điều khiển dũng điện thực bỏm theo dũng điện chuẩn[23 ].
Theo đú một băng sai lệch sẽ được thiết lập với việc đặt sai lệch giới hạn trờn và sai lệch giới hạn dưới và mục đớch của phương phỏp điều khiển này là làm sao cho dũng thực bỏm theo dũng chuẩn và nằm trong cựng dung sai này.
Hỡnh 3.13.Sơ đồ mụ tả phương phỏp điều khiển dũng theo dũng điện chuẩn Độ rộng băng sẽ bằng hai lần sai lệch, sai lệch là hiệu giữa dũng giới hạn trờn với dũng chuẩn hoặc của dũng chuẩn với dũng giới hạn dưới. Sự chuyển mạch của cỏc van theo nguyờn tắc này như sau:
- Khi sai lệch nằm trong băng sai lệch thỡ sẽ khụng cú sự chuyển mạch nào. - Khi dũng vượt qua giới hạn trờn thỡ bộ nghịch lưu sẽ chuyển mạch sao cho dũng giảm xuống để sai lệch nằm trong vựng cho phộp và ngược lại khi dũng giảm xuống nhỏ hơn giới hạn dưới thỡ bộ nghịch lưu chuyển mạch để dũng tăng lờn.
Để rừ hơn ta phõn tớch sự chuyển mạch của bộ nghịch lưu với dũng pha A:
Giới hạn trờn Giới hạn dưới Điện ỏp trờn cuộn cảm Dũng thực tế qua cuộn cảm Dũng chuẩn Băng sai lệch
69
Hỡnh 3.14.Điều khiển phỏt xung cho pha A bộ lọc tớch cực Trong đú :
ia là dũng thực pha A ia* là dũng đặt pha A
ia* là sai lệch giữa dũng thực và dũng đặt
Hỡnh 3.15.Sơ đồ mụ tả điều khiển dũng điện pha A
Khi dũng thực ia tăng dần tới dũng giới hạn trờn thỡ vg1=”1” do đú T1 dẫn trong khoảng thời gian t1 khi đú dũng ia tăng. Ở thời điểm t1 thỡ ia tiến tới giới hạn trờn vg1=0, vg4=1 do đo T4 dẫn trong khoảng thời gian t2. Tại thời điểm t2 thỡ ia tiến tới giới hạn dưới vg1=0, vg4=1 do đú T1 dẫn dũng ia lại tăng lờn và quỏ
Điều khiển
Giới hạn trờn
70
trỡnh lại lặp lại như ban đầu, T1 và T4 liờn tục đúng cắt để dũng thực ia nằm trong băng giới hạn trờn và dưới.
Theo phương phỏp điều khiển này thỡ:
- Điều chỉnh tần số dũng đặt sẽ điều chỉnh được tần số dũng thực
- Biờn độ của dũng thực được điều chỉnh thụng qua biờn độ của dũng đặt - Khi độ rộng của băng giảm thỡ dũng được điều chỉnh sẽ bỏm theo dũng đặt mịn hơn tuy nhiờn khi đú thỡ tần số đúng cắt tăng lờn.
- Khi dũng đặt là sin thỡ dũng thực cũng sin nhưng xuất hiện một số súng hài bậc cao tuy nhiờn cú thể dễ dàng loại bỏ bằng việc sử dụng cỏc bộ lọc LC ở đầu ra bộ nghịch lưu.
Phương phỏp này cú ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, đỏp ứng nhanh tuy nhiờn bất lợi lớn nhất của phương phỏp này là tần số chuyển mạch của van bỏn dẫn khụng xỏc định và thay đổi theo tải. Ngoài ra do phương phỏp điều khiển dũng điện này khụng cú sự phối hợp điều khiển giữa quỏ trỡnh điều khiển dũng giữa cỏc pha. Do đú khụng cú khả năng điều khiển vectơ khụng và tổn hao do đúng ngắt lớn khi chỉ số điều chế thấp.
3.4. Kết luận.
Trong phần trờn ta đó tỡm hiểu chung về nghịch lưu PWM và ứng dụng để làm mạch lọc tớch cực và bự CSPK. Đưa ra cấu trỳc điều khiển cho nghịch lưu PWM sử dụng thuyết p-q để thực hiện chức năng mạch lọc song song.
Chương tiếp theo ta sẽ đi vào phõn tớch đỏp ứng của cỏc bộ lọc súng hài ba pha trờn matlab/Simulink [5] trong việc giảm hài dũng điện. Từ đú đỏnh giỏ chất lượng dũng điện trước và sau khi sử dụng bộ lọc đối chiếu với cỏc tiờu chuẩn cho phộp về súng hài trờn lưới điện của thế giới và Việt Nam
71
Chương4
PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA BỘ LỌC BA PHA TRONG VIỆC GIẢM HÀI DếNG ĐIỆN
4.1. Mễ HèNH MẠCH LỌC BA PHA THỤ ĐỘNG TRấN MATLAB [24]
4.1.1. Giới thiệu
Cỏc bộ biến đổi cụng suất AC/DC, AC/AC, DC/DC, DC/AC khi làm việc sinh hài dũng điện rất lớn [1, 2, 3, 8], dưới đõy nghiờn cứu mạch lọc ba pha được lắp đặt trong hệ thống biến đổi AC/DC, mạch lọc này được sử dụng với mục đớch:
- Giảm hài điện ỏp và dũng điện xoay chiều trong hệ thống điện
- Cung cấp cụng suất phản khỏng tiờu thụ bởi bộ chuyển đổi. Hệ thống 1000MW (500kV, 2kA) AC/DC
4.1.2. Mụ tả sơ đồ mạch điện
Cấu hỡnh mạch điện nghiờn cứu thể hiện trong hỡnh 4.1. Sơ đồ khối mạch điện gồm cỏc khõu chớnh như sau:
4.1.2.1. Nguồn 3 pha
- N: Hệ thống nguồn ba pha tần số 50Hz cung cấp cho tải phi tuyến
- RL: Cuộn dõy và điện trở 3 pha mắc song song
- B1, B2: Thiết bị đo dũng điện và điện ỏp 3 pha B1, B2
- BA: Mỏy biến ỏp 3 pha 3 cuộn dõy: 1200MVA
4.1.2.2. Tải 3 pha phi tuyến
- Bộ chỉnh lưu HVDC được xõy dựng từ hai cầu thyristor 6 xung nối tiếp, bộ phỏt đồng bộ 12 xung điều khiển. Bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng bộ tạo xung đồng bộ 12 xung điều khiển rời rạc với một gúc dẫn alpha liờn tục. Với mụ hỡnh này để đạt được UDC=500kV; IDC=2kA thỡ =190
72
- Một điện trở tải 1000MW được kết nối với bờn DC thụng qua cuộn cảm 0,5H là phẳng dũng tải DC
Hỡnh 4.1Mụ hỡnh bộ lọc 3 pha thụ động trong mạch điện AC/DC
4.1.2.3. Bộ lọc ba pha
- Cỏc bộ lọc được thiết lập trong cỏc thành phần sau: + C1: Tụ điện 150MVAR
+ Bộ lọc ba pha được mụ hỡnh húa gồm cú:
F1: Một bộ lọc loại tụ cao tần điều chỉnh bậc ba 150MVAR
F2: Một bộ lọc dải thụng điều chỉnh bậc 11/13 cú dung lượng 150MVAR F3: Một bộ lọc cao tần điều chỉnh bậc 24 dung lượng 150MVAR
Tổng dung lượng của cỏc bộ lọc sau khi thiết lập là 600MVAR. Một thiết bị đúng ngắt mạch (Brk1) được sử dụng để kết nối cỏc bộ lọc đặt trờn đường dõy AC.
Bộ lọc 3 pha được sử dụng trong cỏc hệ thống năng lượng cho giảm biến dạng điện ỏp và hiệu chỉnh hệ số cụng suất. Cỏc yếu tố phi tuyến như điện - điện tử
73
chuyển đổi tạo ra cỏc súng hài dũng hoặc súng hài điện ỏp, được bơm vào hệ thống điện. Cỏc dũng điện bị mộo dạng, kết quả thụng qua hệ thống trở khỏng tạo ra sự mộo điện ỏp. Bộ lọc giảm mộo dạng bởi chuyển hướng súng hài dũng điện trong con đường trở khỏng thấp. Bộ lọc được thiết kế để điện dung ở tần số cơ bản, để chỳng cũng được sử dụng bự cụng suất phản khỏng.
- Khối IM1: là khối đo lường trở khỏng: Đo trở khỏng giữa hai điểm nỳt của mạch như một hàm của tần số
4.1.3. Phõn tớch cỏc đỏp ứng của mạch lọc trong việc giảm hài dũng điện
4.1.3.1. Khi ngắt bộ lọc ra khỏi mạch điện
Khảo sỏt hoạt động của mạch khi ta ngắt kết nối của bộ lọc ba pha với mạch điện AC bằng cỏch để Brk1 ở chế độ open. Khi đú mạch điện chỉ cũn như hỡnh 4.4
Hỡnh 4.4Mụ hỡnh mạch điện bộ biến đổi AC/DC chưa cú lọc
Khi chưa cú lọc, ta thấy rằng khi chỉnh lưu cầu 3 pha hoạt động thỡ nú gõy ra sự mộo dạng súng điện ỏp và dũng điện cho nguồn AC tại B1 (Hỡnh 4.5).
Hỡnh 4.5Điện ỏp (a) và dũng điện (b) xoay chiều 3 pha khi chưa cú lọc với =190 (a) (b) u t t i
74
Khi tăng giỏ trị gúc mở thỡ cỏc thành phần súng điều hũa bậc cao sinh ra càng lớn làm độ mộo dũng điện càng tăng. Hỡnh 4.6 biểu diễn dạng súng dũng điện và điện ỏp xoay chiều tại B1 khi chưa cú lọc với gúc mở =350.
Hỡnh 4.6Điện ỏp (a) và dũng điện (b) xoay chiều 3 pha khi chưa cú lọc với =350 Giỏ trị hiệu dụng của dũng và ỏp DC sụt giảm do bộ chỉnh lưu tiờu thụ cụng suất phản khỏng: UDC=402,45kV; IDC=1,61kA với =190 (Hỡnh 4.7).
Hỡnh 4.7Điện ỏp (a) và dũng điện (b) một chiều khi chưa cú lọc với =190 (a) (a) (b) (b) t u u i t t t i
75
Phõn tớch Fourier điện ỏp và dũng điện tại B1
Sử dụng cụng cụ PowerGUI và chọn FFT Analysis Tool để phõn tớch phổ của điện ỏp, dũng điện tại B1 và cài đặt cỏc thụng số cơ bản sau:
+ Chọn số chu kỳ phõn tớch là 2 + Tần số cơ bản: 50Hz
+ Tần số tối đa: 4000Hz
Kết quả phõn tớch đối với dũng điện và điện ỏp xoay chiều được thể hiện trong hỡnh 4.8 và 4.9
Hỡnh 4.8Điện ỏp pha A (a) và phõn tớch phổ hài (b) tại B1 khi chưa lọc, Với gúc mở =190: THDU=17,14%
Qua kết quả phõn tớch FFT khi chưa cú bộ lọc ta cú được phổ của điện ỏp như hỡnh 4.8 cho thấy mộo dạng của điện ỏp Uabc tại B1. Với giỏ trị alpha là 190 THDU=17,14%. Tương tự đối với dũng điện tại điểm nỳt B1 ta cú THDI=9,84% như hỡnh 4.9. Mộo dạng dũng điện càng tăng khi ta điều chỉnh tăng gúc mở .
(a)
76
Hỡnh 4.9 Dũng điện pha A (a) và phõn tớch phổ hài (b) tại B1 khi chưa lọc, Với gúc mở =190: THDI=9,84%
Hỡnh 4.10 cho thấy mộo dạng của dũng điện tại B1 lớn hơn hẳn so với hỡnh 4.9 khi tăng gúc mở =650, Đường cong dũng điện càng mộo so với dạng hỡnh sin và khi phõn tớch phổ hài cho kết quả hệ số mộo dạng tăng lờn THDI=20,55%
Hỡnh 4.10Dũng điện pha A (a) và phõn tớch phổ hài (b) tại B1 khi chưa lọc, Với gúc mở =650: THDI=20,55%
Với cỏc giỏ trị mộo dạng của dũng điện và điện ỏp vừa phõn tớch ở trờn, đối chiếu với tiờu chuẩn khụng quỏ 3% là khụng đạt yờu cầu
(a)
(b)
(a)
77
4.1.3.2. Khi mạch điện cú bộ lọc thụ động
Khảo sỏt hoạt động của mạch khi ta kết nối bộ lọc ba pha với mạch điện AC bằng cỏch để Brk1 ở trạng closed
Ngay khi mạch lọc tỏc động kết quả cho thấy:
- Súng điện ỏp dũng điện nguồn AC cú dạng hỡnh sin như hỡnh 4.11 khụng cũn mộo dạng như hỡnh 4.6 do đó loại bỏ được cỏc hài bậc cao.
Hỡnh 4.11Điện ỏp (a) và dũng điện (b) xoay chiều 3 pha tại B1 khi cú lọc với =190
- Khi thay đổi gúc mở tăng lờn súng điện ỏp và dũng điện nguồn AC vẫn cú dạng hỡnh sin như hỡnh 4.12 khụng cũn mộo dạng như đường cong dũng và ỏp trong hỡnh 4.6 do đó loại bỏ được cỏc hài bậc cao.
Hỡnh 4.12Điện ỏp (a) và dũng điện (b) xoay chiều 3 pha tại B1 khi cú lọc với =350 (a) (b) (a) (b) u t t t t i
78
- Giỏ trị hiệu dụng của dũng và điện ỏp DC tăng do cú bự dũng tại chỗ: UDC=500kV; IDC=2kA với =190 (Hỡnh 4.13).
Hỡnh 4.13Điện ỏp (a) và dũng điện (b) một chiều khi cú lọc với =190
- Phõn tớch Fourier điện ỏp và dũng điện tại B1 khi cú mạch lọc
Kết quả phõn tớch đối với dũng điện và điện ỏp xoay chiều được thể hiện trong hỡnh 4.14 và 4.15
Hỡnh 4.14Điện ỏp pha A (a) và phõn tớch phổ hài (b) tại B1 khi cú lọc, Với gúc mở =190: THDU=0,7% (a) (b) (a) (b) i t t u
79
Hỡnh 4.15Dũng điện pha A (a) và phõn tớch phổ hài (b) tại B1 khi cú lọc, Với gúc mở =190: THDI=0,41%
Phõn tớch FFT được phổ của điện ỏp xoay chiều phớa nguồn như hỡnh 4.14 cho thấy mộo dạng tổng của điện ỏp Uabc tại B1 giảm từ 17,14% xuống cũn 0,7%. Phõn tớch tương tự đối với dũng điện tại điểm nỳt B1 ta cú THDI giảm từ 9,84% xuống cũn 0,41% (Hỡnh 4.15)
Khi ta thay đổi gúc mở alpha trong một dải rộng và phõn tớch FFT cũng cho thấy phổ dũng điện xoay chiều trờn lưới luụn dưới 3% như trong hỡnh 4.16 và 4.17
Hỡnh 4.16Điện ỏp pha A (a) và phõn tớch phổ hài (b) tại B1 khi cú lọc, Với gúc mở =650: THDU=0,69%
(a)
(b)
(a)
80
Hỡnh 4.17Dũng điện pha A (a) và phõn tớch phổ hài (b) tại B1 khi cú lọc, Với gúc mở =650: THDI=0,41%
So sỏnh hỡnh 4.16a; 4.17avới hỡnh 4.9a; 4.10a ta thấy đường cong dũng điện cú hỡnh sin Đối chiếu với tiờu chuẩn rừ ràng cỏc chỉ số THD của dũng điện và điện ỏp xoay chiều hệ thống là đạt yờu cầu
Phõn tớch đỏp ứng tần của trở khỏng
Để thực phõn tớch này ta phải ngắt kết nối cỏc bộ lọc từ đường trục AC (ngắt Brk1) và lần lượt sử dụng cỏc bộ lọc C1, F1, F2, F3 kết nối với khối đo lường IM1.
Sử dụng cụng cụ PowerGUI và chọn Impedance vs Frequency Measurement. Phần mềm tớnh toỏn và hiển thị đỏp ứng tần số của bộ lọc.
Tại cỏc tọa độ ứng với cỏc tần số bậc 3, 11, 13, 24 của tần số cơ bản ta tỡm được cỏc giỏ trị trở khỏng tương ứng sau:
Hỡnh 4.18 cho thấy đỏp ứng tần bộ lọc C1
Hỡnh 4.18Đỏp ứng tần bộ lọc C1 (ngắt F1, F2, F3)
(b) (a)
81
Hỡnh 4.19 cho thấy đỏp ứng tần bộ lọc súng hài cao tần kiểu C (F1) lọc thành phần súng hài bậc 3: f=150Hz; Tần số cắt tại trở khỏng X=225,6
Hỡnh 4.19Đỏp ứng tần bộ lọc F1 (ngắt C1, F2, F3)
Hỡnh 4.20; 4.21 cho thấy đỏp ứng tần bộ lọc súng hài điều chỉnh đụi (F1) lọc cỏc thành phần súng hài bậc 11 và bậc 13: f=550Hz và 650Hz; Tần số cắt tại trở khỏng tương ứng là X=7,848và 5,672 Hỡnh 4.20Đỏp ứng tần bộ lọc F2 (ngắt C1, F1, F3) f=550Hz (Bậc 11); X=7,848 Hỡnh 4.21Đỏp ứng tần bộ lọc F2 (ngắt C1, F1, F3) f=650Hz (Bậc 13); X=5,672
82
Hỡnh 4.22 cho thấy đỏp ứng tần bộ lọc súng hài điều chỉnh đơn (F3) lọc thành phần súng hài bậc 24: f=1200Hz; Tần số cắt tại trở khỏng X=9,838.
Hỡnh 4.22Đỏp ứng tần bộ lọc F3 (ngắt C1, F1, F2)
Cuối cựng ta phõn tớch đỏp ứng của bộ lọc thụ động ba pha sau khi kết hợp toàn bộ cỏc thành phần C1, F1, F2, F3 bằng cỏch ngắt kết nối cỏc bộ lọc từ đường trục AC (ngắt Brk1) và sử dụng toàn bộ cỏc bộ lọc C1, F1, F2, F3 kết nối với khối đo lường IM1.
Sử dụng cụng cụ PowerGUI và chọn Impedance vs Frequency Measurement. Phần mềm tớnh toỏn và hiển thị đỏp ứng tần số của bộ lọc ta thu được đỏp ứng tần của bộ lọc thụ động 3 pha như hỡnh 4.23
Hỡnh 4.23Đỏp ứng tần bộ lọc 3 pha (a) ứng với gúc pha (b)