Mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây

Nội dung text: Mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây

1. MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC TÍCH CỰC BA PHA BA DÂY MODELING AND SIMULATION FOR THREE-PHASE THREE-WIRES ACTIVE FILTER (1) Võ Hoàng Lan Khuê, (2) PGS. TS Trần Thu Hà (1) Trường CĐCN Thủ Đức, (2) Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM TÓM TẮT Với sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại, các tải phi tuyến như động cơ, các thiết bị điện tử (biến tần, bộ chỉnh lưu, và chuyển mạch công suất) được sử dụng rộng rãi. Các tải phi tuyến hoạt động tạo ra các sóng hài trên lưới điện và dẫn đến dòng điện và điện áp cung cấp bị biến dạng và chất lượng điện năng giảm. Sóng hài làm làm tăng nhiệt độ hệ thống, giảm công suất và gây nhiễu lên lưới điện. Bài báo này nghiên cứu bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây, lọc sóng hài do tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây ra. Sơ đồ điều khiển bộ lọc đề xuất thuật toán điều khiển dòng điện trực tiếp, có khâu điều khiển trượt. Sơ đồ mạch điện được mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. THD của dòng điện nguồn được giảm từ 26,80% xuống còn 2,30%. Kết quả chỉ ra rằng bộ lọc tích cực thiết kế làm giảm đáng kể lượng sóng dòng điện, hoạt động đáp ứng yêu cầu đề ra. Từ khóa: Bộ lọc tích cực, sóng hài, lọc sóng hài, tải phi tuyến. 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. This article 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. Keywords: active filter, harmonic, harmonic filter, nonlinear load. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng điện năng, cần được chú ý khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ cho phép. Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện. Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung. Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi. Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu 1
2. sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính hoạt động lỗi và thiết bị đo cho kết quả sai. Có rất nhiều nguồn gây ra sóng hài trong hệ thống công nghiệp và chúng đều có một đặc điểm chung là quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và điện áp hoạt động. Tải phi tuyến có dòng không liên tục và không tương ứng với dạng sóng điện áp giáng lên nó. Các tải phi tuyến thông thường bao gồm: khởi động động cơ, bộ biến đổi tần, hệ truyền động điện, lò luyện hồ quang, máy hàn hồ quang, máy biến áp, máy tính và các thiết bị điện tử khác. Hình 1: Hình ảnh minh họa về sóng hài. Như vậy, chúng ta thấy nguồn gốc của sóng hài và những tác hại của chúng. Theo qui định của bộ công thương (Điều 7 Thông tư 32/2010/TT-BCT ngày 30/07/2010), độ méo của dòng điện phải nằm trong những giới hạn cho phép như ở các bảng sau: Bảng 1: Qui định về sóng hài của Bộ Công Thương Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ 110KV 3,0% 1,5% Trung và hạ áp 6,5% 3,0% Có nhiểu phương pháp lọc 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 mạch lọc tích cực (active filter) là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều nhất trong lãnh vực khử sóng hài. II. THIẾT KẾ MẠCH LỌC BA PHA BA DÂY 1. Cấu hình bộ lọc ba pha ba dây Cấu hình cơ bản của mạch lọc tích cực ba pha ba dây được miêu tả ở hình 2. Bộ nghịch cầu được sử dụng như là một máy phát dòng điện hài lý tưởng. Nghịch lưu bao gồm 6 chuyển mạch với diode nối song song trên mỗi chuyển mạch. Do đó các thiết bị bán dẫn thích hợp có thể là IGBT hoặc MOSFET với diode song song và phải bảo vệ quá dòng điện. Đề tài thiết kế cầu nghịch lưu sử dụng IGBT. 2
3. Hình 2: Cấu hình mạch lọc tích cực (AF) ba pha ba dây 2. Sơ đồ khối mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây Sơ đồ khối của bộ lọc tích cực được miêu tả ở hình 4. Trong bài báo này, sử dụng kỹ thuật điều khiển dòng điện trực tiếp, dòng điện tải IL là tín hiệu ngõ vào của bộ lọc AF, dòng điện này dùng để làm tín hiệu tham chiếu, tín hiệu dòng tham chiếu so sánh với dòng điện do bộ lọc phát vào lưới IF tạo ra tín hiệu đưa vào khối tạo xung điều khiển các IGBT, trong khối tạo xung có sử dụng phương pháp điều khiển trượt. Dòng điện IF của bộ lọc phát vào lưới, có cùng biên độ và ngược pha với dòng điện hài, nên triệt tiêu sóng hài do tải tạo ra. Mạch có sử dụng bộ điều khiển trượt vì thế tăng hiệu suất triệt tiêu sóng hài. Hình 3: Sơ đồ khối của bộ lọc tích cực ba pha ba dây 3
4. Các công trình nghiên cứu công bố sử dụng hai kỹ thuật điều khiển dòng điện gián tiếp và trực tiếp. Cả hai kỹ thuật điều có điểm chung là cả hai kỹ thuật điều lấy tín hiệu điện áp ở đầu nguồn us tạo tín hiệu tham chiếu, kỹ thuật điều khiển dòng điện gián tiếp thì sử dụng dòng điện nguồn is, còn kỹ thuật điều khiển dòng điện trực tiếp thì sử dụng dòng điện tải iL để làm tín hiệu so sánh của ngõ vào bộ tạo xung kích. Cả hai kỹ thuật có nhượt điểm là nếu nguồn điện cách xa tải thì sẽ khó khăn trong việc lắp đặt, tích hợp bộ lọc vào mạch. Do đó, đề tài đề xuất kỹ thuật điều khiển dựa vào kỹ thuật điều khiển dòng trực tiếp như hình 5. Tín hiệu tham chiếu sử dụng ngay chính dòng điện tải chứ không sử dụng tín hiệu điện áp nguồn và điện áp tụ điện như hai kỹ thuật điều khiển đã trình bày ở trên. Kỹ thuật này có ưu điểm là tất cả tín hiệu đầu vào của bộ lọc sử dụng ngay chính dòng điện tải nên dễ dàng lắp đặt, tích hợp bộ lọc vào mạch điện/tải, như tích hợp bộ lọc vào mạch điện của máy biến tần, các bộ điều khiển/khởi động mềm động cơ Hình 4: Kỹ thuật điều khiển tạo xung kích cho các IGBT Theo hình 4, dòng điện tải iL được đưa vào khối vòng khóa pha (PLL) để tạo ra dòng điện tham chiều i*L (là thành phần cơ bản của dòng điện tải, lọc bỏ các thành phần hài). * * o * o i La = ILmax.sin(t); i Lb = ILmax.sin(t + 120 ); i Lc = ILmax.sin(t - 120 ) (1) * Dòng tham chiếu i*L đưa vào khối trừ với dòng điện tải kết quả thu được i F là thành phần dòng * * * * * * điện hài: i Fa = iLa - i La ; i Fb = iLb - i Lb ; i Fc = iLc - i Lc (2) * * Dòng i F so sánh với dòng điện của bộ lọc i F phát vào lưới thu được tín hiệu sai lệch, tín hiệu này chính là ngõ vào của bộ điều chế xung kích cho các IGBT. 3. Mạch tạo xung Đối với mạch tạo xung sử dụng mạch điều khiển dòng trễ (Hysteresis Current Control). Các đại * * * lượng i Fa, i Fb, i Fc tương ứng là dòng điện yêu cầu các pha của bộ nghịch lưu, các đại lượng iFa, iFb, iFctương ứng là dòng điện hồi tiếp của bộ nghịch lưu. Sai lệch của hai tín hiệu này là tín hiệu tạo sáu xung kích cho các IGBT như hình 5. Hình 5: Mạch Hysteresis và Logic chuyển mạch. 4
5. Do bộ nghịch lưu được sử dụng theo quy tắc kích đóng đối nghịch ( Xem cấu hình bộ nghịch lưu hình 2), các IGBT (T1-T4), (T2-T5), (T3-T6) có xung kích đóng ngược nhau. Vì vậy ta dùng cổng NOT để tạo xung kích đóng cho các IGBT (T4-T5-T6), từ các các IGBT (T1-T2-T3). Biên độ sai số (hysteresis band) của mạch sẽ được đặt theo giá trị yêu cầu. 4. Khâu điều khiển trượt Mặt trượt bao gồm dòng điện tham chiếu. Đặt (I*F) là giá trị tham chiếu của dòng điện tải. Giá trị tham chiếu của dòng điện tải là điểm cân bằng của hệ thống. ∗ Mặt trượt: S = (i*F - iF ) + ∫(푖퐹 − 푖퐹) 푡,[5] (3) Với i*F là dòng điện tham chiếu và  là thông số điều khiển hay gọi là hệ số trượt. Hệ số trượt có giá trị dương đảm bảo sự ổn định của AF. Trong bộ điều khiển trượt để đáp ứng điều kiện tồn tại, chúng ta xác định U như sau: 1 푖 푆 > 0 U ={ (4) −1 푖 푆 < 0 Như vậy ta có trạng thái đóng ngắt theo ngõ vào điều khiển ba pha theo bảng 2 Bảng 2: Trạng thái đóng ngắt Ua T1 T4 Ub T2 T5 Uc T3 T6 1 OFF ON 1 OFF ON 1 OFF ON -1 ON OFF -1 ON OFF -1 ON OFF 0 OFF OFF 0 OFF OFF 0 OFF OFF III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hình 6: Mô hình mô phỏng của bộ lọc tích cực ba pha ba dây trên Matlab-Simulink 2013B 5
6. Trong phần này, ta sẽ khảo sát hoạt động của mô hình trên, đo kiểm dạng sóng, THD của tín hiệu điện áp, dòng điện nguồn và tải khi mạch khi chưa có mạch lọc, khi mạch có bộ lọc tích cực (AF), và thêm khâu điều khiển trượt vào bộ lọc tích cực (SMAF). Sau đó so sánh kết quả mô phỏng của mô hình với kết quả mô phỏng của mô hình tác giả Juntao Fie [3] với thông số mạch giống nhau để đánh giá chất lượng của mô hình. Các thông số cài đặt cho mô hình được biểu diễn ở bảng 3. Bảng 3: Thông số cài đặt của mô hình THÔNG SỐ GIÁ TRỊ THÔNG SỐ GIÁ TRỊ Nguồn có giá trị hiệu dụng dây Vrms 380 V Điện cảm LF 3e-3H Tần số nguồn cung cấp 50Hz Điện trở của tải không cân bằng RL 30 Điện trở đường dây Rs 2 Điện cảm của tải không cân bằng LL 2e-3H Điện cảm đường dây Ls 5e-6H Thông số khâu điều khiển trượt  1,2 Tụ điện C 2,5e-4F 1. Khảo sát hệ thống khi chưa có mạch lọc Tiến hành thực hiện mô phỏng với mô hình mạch như hình 6, Tải Nonlinear load 1 đóng vào mạch tại thời điểm t = 0s, Nonlinear load 2 đóng vào mạch tại thời điểm t = 0,1s, Nonlinear load 3 đóng vào mạch tại thời điểm t = 0,2s), lúc này hệ thống chưa có mạch lọc sóng hài. Sau đây chúng ta sẽ khảo sát các thông số mạch. Hình 7: Dạng sóng điện áp nguồn cung cấp Hình 10: THD của dòng điện nguồn pha a tại t = 0,05s là 26,8% Hình 8: Dạng sóng dòng điện nguồn khi chưa có mạch lọc AF Hình 9: Dạng sóng dòng điện tải 6 Hình 11: THD của dòng điện tải pha a tại t = 0,05s là 26,8%
7. Hình 7 hiển thị dạng sóng của điện áp nguồn cung cấp, hình 8 hiển thị dạng sóng của dòng điện nguồn và hình 10 hiển thị THD của dòng điện nguồn pha a là 26,8% tại t = 0,05s. Hình 9 hiển thị dạng sóng của dòng điện tải và hình 11 hiển thị THD của dòng điện tải pha a là 26,8% tại t = 0,05s. 2. Khảo sát hệ thống khi mạch lọc AF đóng điện vào lưới Bây giờ ta tiến hành thực hiện mô phỏng với bộ lọc đóng điện vào mạch tại thời điểm t = 0,03s. Chúng ta sẽ khảo sát các thông số mạch. Hình 12: Dạng sóng dòng điện nguồn và tải khi có mạch lọc AF trên cùng đồ thị Hình 13: THD của dòng điện nguồn pha a khi có mạch lọc AF Hình 12 biểu diễn dạng sóng dòng điện nguồn và tải khi có mạch lọc AF trên cùng đồ thị, tín hiệu nét đứt là dạng sóng dòng điện tải bị méo dạng do tải phi tuyến gây ra, tín hiệu nét liền là dạng sóng dòng điện nguồn thuần túy sin. Và THD của dòng điện nguồn còn 2.32% như hình 13. Khi có bộ lọc thì THD của dòng điện nguồn giảm từ 26,80% (hình 10) xuống còn 2,32% (hình 13). 3. Khảo sát hệ thống khi mạch lọc tích cực có bộ điều khiển trượt (SMAF) Bây giờ ta thêm khâu điều khiển trượt vào bộ lọc. Tương tự chúng ta sẽ khảo sát các thông số mạch. 7
8. Hình 14: Dạng sóng dòng điện nguồn và tải khi có mạch lọc SMAF trên cùng đồ thị Hình 15: THD của dòng điện nguồn pha a khi có mạch lọc SMAF 4. Đánh giá kết quả mô phỏng Như vậy trong mạch điện tải không tuyến tính làm cho dạng sóng dòng điện nguồn cung cấp bị biến dạng, khi công suất tải tăng cao thì độ biến dạng và cường độ tăng cao. Qua phân tích mô phỏng ta thấy mạch lọc đề xuất đã phát lên lưới một dạng sóng hài ngược pha với sóng hài do tải gây ra làm triệt tiêu sóng hài trên lưới, dòng điện nguồn cung cấp sin hơn. Khi chưa lọc tại thời điểm t = 0,05s, THD của dòng điện nguồn là 26,80% (Hình 10), khi có mạch lọc tích cực AF thì thì THD của dòng điện nguồn là 2,32% (Hình 13), khi mạch lọc có khâu có khâu điều khiển trượt, thì THD của dòng điện nguồn là 2,30% (Hình 15). Như vậy khi đối chiếu với tiêu về sóng hài của Bộ Công Thương qui định, trong trường hợp khi chưa sử dụng bộ lọc tích cực các thành phần sóng điều hòa trong dòng điện tải đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép được quy định theo bảng tiêu chuẩn. Ngoài ra trong quá trình hoạt động nếu phụ tải có thay đổi thì bộ lọc vẫn đảm bảo hạn chế được lượng hài gây ra và độ méo dạng THD% đảm bảo trong giới hạn cho phép. Qua các phân tích và mô phỏng kết quả cho mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây cho ra được kết quả tốt, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật. 5. So sánh với mô hình của Juntao Fie [3] Juntao Fie [4] đã nghiên cứu bộ lọc tích cực ba pha ba dây điều khiển dòng điện gián tiếp để giảm sóng hài dòng điện do tải phi tuyến gây ra trên lưới. 8
9. Để đánh giá hiệu suất của mô hình đã thiết kế, tác giả tiến hành mô phỏng mô hình theo thông số hệ thống mạng điện như thông số hệ thống mạng của mô hình Juntao Fie. Hình 16: THD của dòng điện nguồn pha a của mô hình Juntao Fie và mô hình của bài báo. Như vậy theo kết quả mô phỏng của Juntao Fie thì THD của dòng điện nguồn pha a tại t = 0.05 giây là 2,51%, còn theo kết quả mô phỏng nghiên cứu của đề tài thì THD của dòng điện nguồn pha a là 2,00%. Như vậy mô hình thiết kế của đề tài đạt được kết quả tối ưu hơn. IV. KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu và thiết kế. Các tác giả đã thiết kế mạch lọc tích cực ba pha ba dây với sơ đồ điều khiển bộ lọc đề xuất thuật toán điều khiển dòng điện trực tiếp, có khâu điều khiển trượt. Thực hiện mô hình hóa và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab-Simulink. THD của dòng điện nguồn được giảm từ 26,80% xuống còn 2,30%. Kết quả chỉ ra rằng bộ lọc tích cực thiết kế làm việc tốt, hoạt động đáp ứng yêu cầu đề ra. Làm giảm đáng kể lượng sóng dòng điện hài, dòng điện nguồn sau khi lọc có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn về sóng hài của Bộ Công Thương qui định. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh. Thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện và bù công suất phản kháng cho nguồn lò nấu thép cảm ứng. Tạp chí khoa học và công nghệ, đại học Đà Nẵng - số 4(33), 2009. 2. 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. 3. Juntao Fei, Tianhua Li, F eng Wang, and Wanru Juan. A Novel Sliding Mode Control Technique for Indirect Current Contro lled Active Power Filter. Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering Volume 2012, Article ID 549782, 18 pages. 9
10. 4. Lê Thị Thu Uyên. Ứng dụng bộ 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. 5. Soumya Ranjan Mohapatra. Performance Enhancement of Active Power Filter using Robust Control Strategies, A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the award of the award of degree Master of Technology by Research in Electrical Engineering, National Institute of Technology Rourkela Rourkela-769008, India, 2012. 6. ThS. Phạm Văn Hiệp. Nghiên cứu chế tạo thiết bị tiết kiệm năng lượng thông qua việc lọc, thu và sử dụng năng lượng sóng hài. Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ. Trường đại học điện lực, 2011. 7. Võ Tuấn. Ứng dụng hệ mờ nơ ron điều khiển bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng. Luận văn thạc sĩ. Đại học Đà Nẵng, 2012. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 05 năm 2016 Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ học tên) PGS. TS Trần Thu Hà 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.