Luận văn Nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần đa bậc điều khiển 1 trạng thái (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần đa bậc điều khiển 1 trạng thái (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ BẢO LÂN NGHIÊN CỨU MẠCH LỌC TÍCH CỰC 3 PHA 3 DÂY BẰNG HỆ BIẾN TẦN ĐA BẬC ĐIỀU KHIỂN 1 TRẠNG THÁI S K C 0 0 03 29 86 18 NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C 0 0 3 9 7 4 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ BẢO LÂN NGHIÊN CỨU MẠCH LỌC TÍCH CỰC 3 PHA 3 DÂY BẰNG HỆ BIẾN TẦN ĐA BẬC ĐIỀU KHIỂN 1 TRẠNG THÁI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013.
3. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Trong những năm gần đây, việc sử dụng nhiều linh kiện chuyển mạch bán dẫn như là mạch chỉnh lưu diode, thyristor và các tải phi tuyến như là các bộ điều khiển tốc độ động cơ, các lò điều nhiệt, các bộ nguồn ngắt dẫn kết quả là mạng điện cung cấp bị nhiễu bởi các dòng điện hài, đôi khi còn làm méo dạng điện áp nguồn cung cấp. Các kết quả không mong muốn này trở nên không thể chấp nhận khi các thành phần hài vượt qua ngưỡng cho phép làm suy giảm chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối. Các bộ lọc tích cực gần đây đã được nghiên cứu rộng rãi cho việc triệt sóng hài dòng điện, bù công suất phản kháng và nâng cao hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện năng. Các bộ lọc tích cực hoạt động như một nguồn dòng lý tưởng nhằm cung cấp một đáp ứng động và giải pháp điều chỉnh để triệt các dòng điện hài và bù công suất phản kháng. Các bộ lọc này được chia ra thành 2 loại: bộ lọc tích cực nguồn áp và bộ lọc tích cực nguồn dòng. Bộ nghịch lưu hiện nay không phải là một khái niệm mới mẻ nữa. Nó đã hiện hữu trên tất cả các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng một vai trò rất quan trọng trong các ngành công nghiệp và ngành điện. Đối với ngành công nghiệp, khả năng biến đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng cơ, từ nguồn điện có tần số này sang nguồn điện có tần số khác đóng một vai trò hết sức quan trọng và chiếm ưu thế bởi tính năng đặc trưng vượt trội đó của nó. Đối với ngành điện khả năng lọc, bù, điều khiển hộ tiêu thụ, khả năng tái tạo năng lượng cũng có một ý nghĩa hết sức quan trọng. Các bộ nghịch lưu đa bậc có các ưu điểm là sóng hài điện áp có biên độ thấp hơn, kích thước bộ lọc nhỏ hơn, tổn hao chuyển mạch thấp hơn, nhiễu điện từ thấp hơn, điện áp ngược trên các bán dẫn công suất thấp hơn và ít gây ra tiếng ồn. - 1 -
4. Việc nghiên cứu điều khiển các bộ nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm qua. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu đã và đang được thực hiện ngày một nhiều hơn. Đối tượng chính trong các nghiên cứu này, ở thời kỳ đầu, thường là nghiên cứu các bộ nghịch lưu theo phương pháp điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM). Đầu những năm 1990 trở đi các nghiên cứu mới có nhiều hướng chuyển đổi mà một trong những hướng mới đã thu được nhiều thành quả là nghiên cứu điều chế độ rộng xung theo phương pháp vector không gian (SVPWM). Một số công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới: Bài báo [11] trình bày dùng mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây dùng bộ nghịch lưu NPC ba bậc điều khiển bằng phương pháp vector không gian để khử sóng hài và bù công suất phản kháng cho tải phi tuyến và không cân bằng, và công thức tính toán các thông số cho bộ lọc. Bài báo [12] trình bày thiết kế bộ lọc tích cực song song làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng điện bậc cao và bù công suất phản kháng cho nguồn lò. Năm 2006, tạp chí IEE Proceedings Electric Power Applications đã đăng tải nghiên cứu của PGS. TS.Nguyễn Văn Nhờ và Myung Joong Youn [10], trong bài viết này các tác giả đã nêu ra một lý thuyết mới cho phép giải tích hóa tương quan giữa SVPWM và CPWM. Kết quả nghiên cứu trên đã giúp thống nhất hai trường phái nghiên cứu thịnh hành CPWM và SVPWM, hoàn thiện kỹ thuật đa điều chế cho phép điều khiển toàn diện bộ nghịch lưu đa bậc. Bài báo [4] trình bày điều chế sóng mang dựa trên kỹ thuật PWM một trạng thái sao cho vector áp lỗi là nhỏ nhất trong nghịch lưu đa bậc đây là một kỹ thuật mới cho kỹ thuật điều khiển bộ nghịch lưu làm giảm tổn hao chuyển mạch mà kết quả chấp nhận được, vì vậy tác giả đã tiến hành nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần 11 bậc điều khiển một trạng thái để khử bỏ sóng hài, bù công suất phản kháng và làm giảm tổn hao chuyển mạch đây là điều rất cần thiết cho việc tiết kiệm điện năng và tăng tuổi thọ linh kiện. - 2 -
5. Đến nay, các công trình nghiên cứu về nghịch lưu đa bậc xuất phát từ các phòng thí nghiệm điện và các phòng thí nghiệm điện tử công suất của các nước Mỹ, Nhật, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc chỉ theo một trong các hướng trên. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Ngày nay các bộ lọc tích cực công suất lớn dùng kỹ thuật PWM kinh điển cho nghịch lưu áp thực hiện vector yêu cầu bằng trật tự chuỗi trạng thái của 3 vector đỉnh gần nhất trong chu kỳ lấy mẫu. Phương pháp này cho phép đạt kết quả vector áp trung bình chính xác. Tuy nhiên một giải pháp gần đúng là điều khiển PWM sử dụng 1 vector trong chu kỳ lấy mẫu, do đó giảm công suất đóng ngắt trong chu kỳ lấy mẫu. Điều này rất có lợi cho ứng dụng công suất lớn. Giải pháp có tính chính xác chấp nhận được khi số bậc cao. Với các ưu điểm của kỹ thuật PWM 1 vector tác giả đã áp dụng kỹ thuật điều khiển này vào hệ thống mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây để khảo sát các đáp ứng của mạch lọc. 1.3. Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu. Ứng dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng kỹ thuật điều khiển PWM 1 vector vào hệ thống lọc tích cực. Các bộ nghịch lưu áp đa bậc điều khiển 1 trạng thái, mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây dùng bộ nghịch lưu áp NPC 11 bậc điều khiển thông thường Khảo sát các đáp ứng của mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây bằng bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng kỹ thuật điều khiển PWM 1 vector và đưa ra kết quả so sánh với kỹ thuật điều khiển PWM bằng phương pháp SFOPWM. 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài. 1.4.1. Nhiệm vụ nghiên cứu. Nghiên cứu phương pháp và giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu áp đa bậc NPC điều khiển1 trạng thái (1 vector). Xây dựng mô hình mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây bằng hệ biến tần đa bậc điều khiển 1 trạng thái trong môi trường Matlab/Simulink. - 3 -
6. Thực hiện mô phỏng, đánh giá và kết luận. 1.4.2. Giới hạn đề tài. Thời gian nghiên cứu có hạn nên tác giả chỉ tập trung nghiên cứu mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây dùng hệ biến tần 11 bậc NPC dùng kỹ thuật điều rộng xung sóng mang 1 trạng thái. 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu. Nghiên cứu các tài liệu, bài báo liên quan đến quá trình nghiên cứu đề tài: chất lượng điện năng, lý thuyết công suất tức thời, phương pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất, mạch lọc tích cực (APF), Matlab/Simulink Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến, trao đổi kinh nghiệm những khóa cao học trước và những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực nâng cao chất lượng lưới điện và điều khiển các bộ biến đổi công suất. Phương pháp thực nghiệm: Sau phần nghiên cứu được kiểm chứng bằng việc thực hiện mô phỏngvà đánh giá trên phần mềm Matlab/Simulink. - 4 -
7. Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Sóng hài 2.1.1. Các khái niệm về sóng hài Hệ thống phân phối được cấp từ nguồn điện áp 3 pha hình sin. Một trong những đặc tính quan trọng của môt hệ thống cung cấp nguồn là dạng sóng của nó phải gần với sóng sin. Tuy nhiên do ảnh hưởng nhiễu bởi các sóng hài dòng, áp bởi các thiết bị tạo ra nguồn hài như hồ quang điện từ các lò luyện kim, các bộ biến đổi công suất, hệ thống đèn chiếu sáng dẫn đến dạng sóng ra không còn sin như mong muốn. - Thành phần hài: Có dạng hình sin với tần số là bội số của tần số cơ bản. Biên độ sóng hài thường nhỏ hơn biên độ thành phần cơ bản. Hình 2.1: Thành phần cơ bản và các hài f - Bậc hài: Được xác định bằng tỉ số: n n (2.1) f1 Trong đó: n là số bậc, fn là tần số hài bậc n, f1 là tần số hài bậc 1 (hài cơ bản). - Phổ: Là dãy biên độ các bậc hài khác nhau. - 5 -
8. Hình 2.2: Phổ của sóng hài - Biểu diễn dạng sóng nhiễu: bất kỳ một hàm số có dạng không sin nào cũng được biểu diễn bằng chuỗi Fourier như sau: n f( t ) H0  Hnn 2 c os( n t ) (2.2) n 1 Trong đó: + H 0 là biên độ của thành phần DC. + H n là giá trị hiệu dụng của thành phần hài bậc n. + là góc pha của thành phần hài bậc n. n Khi tần số tăng thì biện độ của hài giảm. Vì vậy ta xem với những hài có bậc 40 trở lên thì biên độ là không đáng kể. - Giá trị hiệu dụng của sóng nhiễu: Giá trị hiệu dụng Hn của các hài dạng sóng sin bằng giá trị cực đại chia cho 2 . Ở trạng thái xác lập, năng lượng phát sinh theo định luật Joule: 2 2 2 2 RI t RI12 t RI t RIn t (2.3) 2 2 2 2 Trong đó: IIII 12 n (2.4) n 2 Đặt II  n (2.5) n 1 - 6 -
9. Nếu điện trở được xem là hằng số thì giá trị hiệu dụng của sóng nhiễu có thể được đo trực tiếp bằng các dụng cụ đo lường chuyên dụng hoặc có thể phân tích qua máy phân tích phổ. - Tỉ số hài thành phần và độ méo dạng toàn phần THD: + Tỉ số hài thành phần là tỉ số biên độ sóng hài bậc n và sóng hài cơ bản: I n . I 1 + Độ méo dạng toàn phần THD là tỉ số giá trị hiêu dụng của tất cá các sóng hài so với một trị số được xác định dựa vào 1 trong 2 tiêu chuẩn sau: Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2: n 2  Hn THD n 2 (2.6) H1 Dựa trên số lượng dạng sóng hài đo được (0 < THD < 1): n 2  Hn THD n 2 (2.7) n 2  Hn n 1 Việc tính toán THD sẽ được áp dụng theo tiêu chuẩn IEC 61000-2-2. Tiêu chuẩn 2 được áp dụng khi có yêu cầu. 2.1.2. Ảnh hƣởng nhiễu do sóng hài dòng điện và sóng hài điện áp 2.1.2.1. Ảnh hƣởng tức thời - Hài điện áp có thể gây nhiễu đối với các thiết bị điều khiển bằng điện tử (ảnh hưởng đóng cắt Thyristor), gây ra sai số trong dụng cụ đo lường cảm ứng. - Các bộ thu tín hiệu của thiết bị “Ripple control” như là những relay sử dụng để điều khiển đóng cắt các thiết bị của hộ tiêu thụ từ trung tâm điều khiển có thể bị nhiễu do sóng hài điện áp có tần số gần với tần số điều khiển. - Lực điện động phát sinh do dòng tức thời có liên quan đến sóng hài sẽ gây ra dao động và phát sinh tiếng ồn đối với các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị điện từ như MBA, cuộn kháng. - 7 -
10. - Đối với các thiết bị điện tử viễn thông và các mạch điều khiển sẽ bị nhiễu khi các mạch điều khiển này chạy song hành với các mạch phối có mang dòng hài. Cấp độ nhiễu tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách, chiều dài song hành của 2 mạch này và tần số sóng hài. 2.1.2.2. Ảnh hƣởng lâu dài Sự tồn tại của sóng hài làm giảm chất lượng điện năng gây ra một số vấn đề sau: Sự phát nóng của tụ điện do hiện tượng từ trễ trong chất điện môi. Các bộ tụ rất dễ bị hư hỏng do quá tải, do tần số vượt quá tần số cơ bản hoặc do hài điện áp. Sự phát nóng do nhiệt có thể dẫn đến sự già hóa và đánh thủng chất điện môi. Tổn thất trong máy điện quay: khi máy phát cung cấp cho tải phi tuyến, dòng hài bậc cao sẽ tạo tổn thất phát sinh trong stator (tổn thất đồng và sắt) và trong rotor (cuộn cảm, mạch từ) của máy phát gây ra sự sai lệch vận tốc giữa từ trường quay cảm ứng và rotor. Sóng hài dòng điện gây nên hiện tượng rung động cơ do từ trường đập mạch phát sinh bởi dòng thứ tự không. Khi tần số của sóng hài trùng với tần số dao động cơ học của máy điện có thể dẫn đến máy điện bị phá hủy. Tổn thất trong MBA do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy (tổn hao sắt từ), gây bão hòa mạch từ làm cho MBA bị quá tải. Tổn thất trên dây dẫn điện do các hiệu ứng bề mặt (gia tăng điện trở cuộn dây theo tần số) và gây phát nóng quá mức cho phép do giá trị hiệu dụng dòng điện tăng. 2.2. Các giới hạn và tiêu chuẩn về sóng hài 2.2.1. Giới hạn chung về sóng hài - Động cơ đồng bộ: dòng nhiễu Stator cho phép là từ 1,3% đến 1,4%. - Động cơ không đồng bộ: dòng nhiễu Stator cho phép là từ 1,5% đến 3,5%. - Cáp dẫn điện: nhiễu điện áp đối với lõi cách điện cho phép là từ 10%. - 8 -
11. 2.2.2. Các tiêu chuẩn về sóng hài - Tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 xác định giới hạn của sóng hài đối với các thiết bị tiêu thụ điện có dòng điện mỗi pha 16 A. Các thiết bị tiêu thụ dòng > 16 A và 75 A được xác định theo tiêu chuẩn IEC/TS 61000-3-12. - Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 đưa ra các mức hài điện áp tương thích đối với nhiễu dẫn tần số thấp và tạo tín hiệu trong hệ thống cung cấp điện hạ áp công cộng. - Tiêu chuẩn IEC 61000-2-4 đưa ra các mức hài điện áp tương thích trong khu công nghiệp đối với nhiễu dẫn tần số thấp. - Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 được trình bày bên dưới đưa ra các giới hạn hài dòng điện và hài điện áp trong các hệ thống điện. Độ méo dạng hài dòng điện lớn nhất (% hài cơ bản) Tỉ số dòng Các hài bậc lẻ ngắn mạch h 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Bảng 2.1: Các giới hạn độ méo dạng hài dòng điện trong các hệ thống phân phối (120 V – 69 kV) Cấp điện áp Độ lớn hài thành phần (%) THDV (%) 69 kV 3,0 5,0 69 – 161 kV 1,5 2,5 161 kV 1,0 1,5 Bảng 2.2: Các giới hạn độ méo dạng hài điện áp 2.3. Mạch lọc tích cực Có nhiểu phương pháp khử và hạn chế các sóng hài như dùng mạch lọc thụ động (passive filter), sử dụng máy biến thế đấu Y/∆ nhưng phương pháp sử dụng - 9 -
12. mạch lọc tích cực là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều nhất trong lĩnh vực khử sóng hài. 2.3.1. Nhiệm vụ mạch lọc tích cực 2.3.1.1. Bù công suất: Việc thực hiện bù công suất đồng thời với chức năng lọc thì các cấu hình thiết kế, có thể chỉ giới hạn ở mức độ công suất nhỏ. Do nhiều thiết bị bù tuy có đáp ứng chậm hơn nhưng giá thành rẻ, ví dụ bù bằng SVC – đóng ngắt bằng thyristor. 2.3.1.2. Bù sóng hài điện áp: Bù điện áp không được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì nguồn thường có trở kháng thấp và điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố trồi hoặc giảm áp. Vấn đề bù điện áp chỉ được xem xét đến khi tải nhạy cảm với sự xuất hiện sóng hài điện áp trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện, superconducting magnetic energy storage. 2.3.1.3. Bù sóng hài dòng điện: Bù các thành phần sóng hài dòng điện có ý nghĩa quan trọng đối các tải công suất nhỏ và vừa. 2.3.2. Phạm vi công suất của mạch lọc tích cực 2.3.2.1. Các ứng dụng phạm vi công suất thấp: Các ứng dụng có công suất nhỏ hơn 100kVA, chủ yếu phục vụ các khu dân cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất nhỏ và vừa. Tính chất của các hệ thống tải này đòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực tương đối phức tạp có đáp ứng động học cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn mạch lọc tích cực ở dãy công suất cao trong khoảng vài chục us đến vài ms. 2.3.2.2. Các phạm vi ứng dụng công suất vừa: Phạm vi công suất hoạt động của các thiết bị này nằm trong khoảng từ 100 kVA đến 10 MVA. Ví dụ các mạng cung cấp điện trung và cao áp và các hệ thống truyền động điện công suất lớn mắc vào nguồn áp lớn. Mục đích chính của các mạch lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các sóng hài dòng điện. Tốc độ đáp ứng - 10 -
13. bù lọc trong hệ thống ở khoảng hàng chục ms. 2.3.2.3. Các phạm viứng dụng công suất rất lớn Dãy công suất rất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền động động cơ DC công suất rất lớn hoặc hệ thống truyền tải điện DC. Mạch bù lọc tích cực cho phạm vi công suất rất lớn là rất tốn kém vì đòi hỏi đến việc sử dụng các linh kiện công suất có khả năng đóng ngắt dòng điện với công suất rất lớn. Điều thuận lợi là đối với dãy công suất lớn trên 10MVA, lượng sóng hài bậc cao xuất hiện nhỏ nên các yêu cầu đối với nó không còn nghiêm ngặt như dãy công suất nhỏ. Thời gian đáp ứng đòi hỏi trong các trường hợp trên ở mức hàng chục giây, đủ để các hệ thống điều khiển relay lựa chọn và tác động một cách phù hợp. 2.4. Phân loại mạch lọc tích cực 2.4.1. Phân loại theo bộ biến đổi công suất. Căn cứ vào cấu hình của bộ biến đổi công suất được sử dụng trong mạch lọc, ta có 2 loại mạch lọc tích cực: VSI - bộ biến đổi nguồn áp và CSI - bộ biến đổi nguồn dòng. Hình 2.3: Cấu hình VSI Đặc điểm của cấu trúc của cấu hình VSI là: o Có thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc. o Tự cung cấp điện áp DC - 11 -
14. Hình 2.4: Cấu hình CSI Đặc điểm của cấu trúc của cấu hình CSI o Hạn chế tần số đóng cắt. o Tổn hao công suất lớn. o Không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc 2.4.2. Phân loại theo sơ đồ Căn cứ vào sơ đồ có hai loại: mạch lọc tích cực song song và mạch lọc tích cực nối tiếp. Hình 2.5: Mạch lọc tích cực song song Đặc điểm của mạch lọc tích cực song song: o Bù sóng hài dòng điện. o Bù công suất phản kháng. Hình 2.6: Mạch lọc tích cực nối tiếp Đặc điểm của mạch lọc tích cực nối tiếp: o Lọc sóng hài điện áp. o Điều chỉnh và cân bằng điện áp nút. o Lọc lan truyền sóng hài. - 12 -