Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực

Nội dung text: Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực

1. NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG PHƢƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI TÍCH CỰC IMPROVING ELECTRICITY METHODS USED HARMONIC ACTIVE POWER FILTER Lê Minh Phương (1), Nguyễn Anh KHa (2), (1) Trường ĐH SPKT TP Hồ Chí Minh, anhkhadk85@gmail.com TÓM TẮT Sóng hài là dạng nhiễu không mong muốn trong hệ thống điện, chúng gây nhiều ảnh hưởng xấu cho hệ thống điện, mà nguyên nhân chính sinh ra sóng hài là do tính chất phi tuyến của tải. Những năm gần đây, các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là nguyên nhân chính gây méo dạng dòng điện của hệ thống điện công nghiệp. Luận văn này trình bày một bộ lọc tích cực lai ghép để ngăn chặn cộng hưởng sóng hài và giảm độ biến dạng sóng hài, nó gồm bộ lọc thụ động và bộ lọc tích cực ghép song song với nhau. Các đề xuất của bộ lọc lai ghép được đưa ra để làm giảm hệ số méo dạng sóng hài để có tổng độ méo sóng hài điện áp và/ hoặc dòng điện theo ý muốn; Vì thế, độ méo sóng hài được giảm đến mức có thể chấp nhận được trong trường hợp tải thay đổi hoặc thông số của hệ thống điện thay đổi. Bộ lọc lai ghép trong luận văn này bao gồm một bộ lọc thụ động để lọc hài bậc 5 và bậc 7 và kết nối song song với bộ lọc tích cực, nhằm giúp cho bộ lọc tích cực hoạt động hiệu quả hơn, tuổi thọ của bộ lọc tích cực tăng lên. Kết quả nghiên cứu nghiên cứu đã được mô phỏng, kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink. Từ khóa: Lọc tích cực, lọc thụ động, lọc lai ghép ABSTRACT Harmonics are unwanted interference in the form of power systems, its causing a lot of negative impact on the power system, cause harmonics are generated due to the nonlinearity of load. Recent years, the power electronic devices are widely used in industry is a major cause of current distortion the industrial power system. This paper presents a hybrid active filter to suppress harmonic resonance and to reduce harmonic distortion, it consists of passive filters and active filters coupled parallel together. The proposed hybrid filter is operated as variable harmonic conductance according to the voltage and/or current total harmonic distortion; therefore, harmonic distortioncan be reduced to an acceptable level in response to load change or parameter variation of the power system. The hybrid filter in this paper is composed of a fifth-tuned and seventh- tuned passive filter and an active filter in parallel connection, to facilitate active filters more effective, the shelf life of active filter increased. Research results have been simulated and verified on the Matlab/Simulink Software. 1
2. Key words:: Active power filters, Passi Filters, Hibrid Active Power Filter, 1. GIỚI THIỆU Bài báo khoa học đăng trên Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật được viết toàn văn bằng tiếng Việt, định dạng theo khổ giấy Với sự phát triển không ngừng của đất nước. Điện năng cung cấp cho phụ tải không chỉ đảm bảo yêu cầu về số lượng mà cả về chất lượng điện năng cũng phải được HÌNH 1: Mô hình mạch lọc tích cực theo đảm bảo. Trong điều kiện vận hành, thuyết P_Q truyền tải điện năng, do trong hệ thống Sử dụng phép chuyển đổi Clark, ta điện có nhiều phần tử là tải phi tuyến dẫn có thể biến đổi dòng điện và điện áp từ hệ tới xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Các thành phần sóng điều trục abc sang dòng điện và điện áp trên hòa bậc cao này gây ra nhiều tác hại hệ trục αβ tương ứng như sau: nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm + Công thức quy đổi điện áp: giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất 1 1 1 2 2 2 lượng điện năng Do đó các thành phần u0 ua 2 1 1 sóng điều hòa bậc cao trên lưới phải đảm u 1 u (1) 3 2 2 b bảo một số tiêu chuẩn giới hạn nhất định. u 3 3 uc 0 Hiện nay, ở nước ta chưa có một tiêu 2 2 chuẩn nào đối với thành phần điều hòa + Công thức quy đổi dòng điện: bậc cao cho phép trên lưới nhưng trên thế giới đã có nhiều tiêu chuẩn về sóng điều hòa bậc cao trên lưới như tiêu chuẩn 1 1 1 IEEE STĐ 519, tiêu chuẩn IEC 1000-3- 2 2 2 i0 ia 4 Việc tuân theo các tiêu chuẩn này là 2 1 1 i 1 i (2) bắt buộc để đảm bảo chất lượng điện 3 2 2 b i 3 3 ic năng. Giải pháp để hạn chế sóng điều hòa 0 bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác 2 2 nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc Công suất tức thời thứ tự không tích cực. p0 = v0.i0 (3) 2. TÍNH TOÁN DÒNG ĐIỆN THAM CHIẾU Công suất tác dụng BÙ SỬ DỤNG THUYẾT P-Q p = v .i + v.i (4) Công suất phản kháng q = v .i - v.i (5) 2
3. Các thành phần công suất p và q có - q: là công suất tức tời tương ứng liên quan đến điện áp và dòng điện trong được chuyển đổi giữa các pha của tải. hệ α-β và có thể được viết như sau: Thành phần này không bao hàm bất kỳ p v v i việc chuyển đổi hoặc trao đổi năng lượng . (6) q v v i giữa các nguồn cung cấp và các phụ tải, Những thông số được minh họa nhưng là chịu ảnh hưởng của sự tồn tại trong Hình 1 cho một hệ thống điện 3 pha của các dòng điện không mong muốn, mà và có những ý nghĩa vật lý sau: chuyển đổi giữa các pha trong hệ thống. Trong trường hợp điện áp 1 pha hình sin - p : là giá trị công suất 1 chiều tức 0 cân bằng và 1 tải cân bằng, với hoặc thời thứ tự không tương ứng với năng không có sóng hài. lượng được chuyển từ việc cung cấp điện - q : là giá trị công suất phản kháng cho các phụ tải, thông qua các thành trung bình tức thời, nó tương đương với phần thứ tự không của điện áp và dòng công suất tức thời ( q 3V.I1.cos1 ). điện. ~ - p0 : là giá trị công suất xoay chiều tức thời thứ tự không, nó có nghĩa là năng lượng thống nhất được trao đổi giữa các HÌNH 2: Thành phần công suất theo nguồn cung cấp và phụ tải thông qua các thuyết P_Q trong hệ toạ độ abc thành phần thứ tự không. Để tính toán dòng điện bù trong hệ - p : là giá trị công suất thực tức thời 1 tọa độ -  các biểu thức (7) được đảo chiều tương ứng với năng lượng trong ngược và công suất bù ( - và q) được một thời điểm nhất định được cấp điện sử dụng. cho các phụ tải, thông qua tọa độ a-b-c ( * v v ~ ic 1  p p nó là thành phần công suất mong muốn). . . 0 (7) * 2 2 v v ic v v  q ~ - p : là giá trị công suất xoay chiều tức thời. Nó là năng lượng thống nhất được - Từ khi dòng điện thứ tự không được trao đổi giữa nguồn cung cấp và tải, bù, việc bù dòng điện trong trung tính thông qua tọa độ a-b-c. chính là dòng điện i0. 3
4. - Để có được các dòng điện bù tham 3. Tính toán thiết kết bộ lọc thụ động chiếu trong hệ toạ độ a-b-c nghịch đảo Bộ lọc thụ động đơn, điện trở của cuộn của các chuyển đổi đưa ra trong biểu dây được tính với tụ điện ở tần số cộng thức (8) được áp dụng. hưởng fn. 1 1 0 * 2 * ica ic0 2 1 1 3 i* . . i* (8) cb 3 2 2 2 c i* i* cc 1 1 3 c 2 2 2 * * * * icn ica icb icc Các tính toán được trình bày cho đến nay được tổng hợp trong Hình 3 và HÌNH 4: Bộ lọc thụ động đơn tương ứng với bộ lọc tích cực mắc song Bước 1: Ghi nhận các thông số như: song, chiến lượt điều khiển cho công suất U S 220V ,U3pha 381(V ) nguồn tức thời là hằng số. f 50Hz R cos - Các dòng điện pha cung cấp trở tai 2 2 (R ZL ) thành sin, cân bằng, và cùng pha với điện Bảng 5: Thông số tải 1 áp. R1(Ω) L1(H) Z (Ω) cosϕ1 sinϕ1 - Còn dòng điện dây trung tính bằng 0. L1 - Tổng công suất tức thời cung cấp, 1.50E- 5.37E- 8.43E- 3 02 4.71E+00 01 01 được thực hiện liên tục. p3s t va.isa vb.isb vc.isc (9) Bước 2: Phân tích fourier dòng điện tải, xác định bậc hài cần được giảm. HÌNH 3: Các khâu tính toán cho thuyết P_Q 4
5. - Điện áp 2 đầu tải 2 2 2 2 UL (US UZS ) 220 5,64 ) 219,9(V) Bước 5: Tính các thông số R,L,C - Thông số tụ điện C Q /(m*U 2 *) 24654/(6*2202 *314) 0.00027(F) 1 S Ta thấy dòng điện tải có bậc hài cao Trong đó: m là số nhánh bộ lọc thụ động là bậc 5 và bậc 7. Ta có: C5=C7=C=0.00027(F) - Dòng điện đỉnh: IĐ =182A - Thông số điện trở và cuộn dây cộng - Phần trăm hài bậc 5: hưởng ở tần số hài bậc 5 2 2 I5%=19,12%→I5=19,12%*182=34,8(A) L5 1/(5 *C5 ) 1/((2*3,14*250) *0,00027) 0,0015(H) - Phần trăm hài bậc 7: X5 L5 *2*3,14*250 2,3551() I %=12,09%→I =12,09%*182=22(A) 7 7 Chọn Q5=30 - Dòng điện qua bộ lọc thụ động R5 X5 /Q5 2.3551/30 0,2355() I I I 56,8(A) PF 5 7 - Dòng điện hài bậc 5 cung cấp Bước 3: Tính các dòng điện (IL1 /5)* R5 (44,3/5)*0,2355 IS5 1,725(A) (R2 (5* jX )2 ) (0,23552 (5*2,3551)2 - Dòng điện xoay chiều tải 5 5 Điện áp hài bậc 5 tại PCC IL IPF * 2 / 3 56,8* 2 / 3 46,38(A) US5 IS5 *ZS5 1,725*5*0.237 2(V) - Dòng điện ngõ vào của chỉnh lưu - Tương tư ta cũng có thể tính toán thông I ( 6 / )*I ( 6 / )*56,8 44,3(A) L1 PF số điện trở và cuộn dây cộng hưởng ở tần - Dòng điện cần bù số hài bậc 7. IL1a IL1 *cos 44,3*0.537 23,8(A) L 1/(2 *C ) 1/((2*3,14*350)2 *0,00027) 0,000765(H) 7 7 7 X L *2*3,14*350 1,68() Bước 4: Tính công suất tải 7 7 Công suất tác dụng của tải Chọn Q7=30 R X /Q 1,68/30 0,168() P1 3*US *IL1 *cos 3*220*44,3*0.537 15694(W ) 7 7 7 - Công suất phản kháng của tải - Dòng điện hài bậc 7 cung cấp Q1 3*US *IL1 *sin 3*220*44,3*0,843 24654(VAr ) (IL1 /7)* R7 (44,3/7)*0,168 Điệ IS 7 0,382(A) (R2 (7* jX )2 ) (0,1682 (7*1,68)2 - Trở kháng nguồn 7 7 n áp hài bậc 7 tại PCC ZS jX S j0.05*US / IL j0.05*220 / 46,38 j0,237() Điện áp rơi trên trở kháng nguồn US7 IS7 *ZS7 0,382*7*0.237 0,634(V) Tuỳ theo bộ lọc mà ta có thể chọn thông UZs ILa1 *ZS 23,8* j0,237 j5,64(V) 5
6. số Q nằm trong khoản từ 10 đến 100, ta Bảng 8: Thông số và kết quả tính toán tải dựa vào đường đáp ứng của trở kháng, số 3 mà thông số Q được chọn sao cho hiệu R3 L3 ZL3 Cosϕ3 Sinϕ3 quả đáp ứng bộ lọc là tốt nhất. Đường 9 1.50E-02 4.71E+00 8.86E-01 4.64E-01 đáp ứng trở kháng khi thay đổi Q từ 5 đến Kết quả tính toán 100 cho thấy ở Hình 5. C5 0.000148655 L5 0.002729105 R5 0.428469516 C7 0.000148655 L7 0.001392401 R7 0.306049654 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Thông số tải: R =3(Ω); L =1.5e-2(H) 1 1 Donh dien tai IL- abc 200 HÌNH 5: Đáp ứng trở kháng ứng với các 150 100 giá trị của Q 50 0 -50 Bảng 6: Kết quả tính toán cho tải 1 -100 -150 -200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Thông số tính toán Thoi gian (s) 5 x 10 C5 (F) 0.000270408 L5(H) 0.001500308 R5(Ω) 0.235548393 Hình 6: Dòng điện tải C7(F) 0.000270408 L7(H) 0.000765463 R7(Ω) 0.168248852 Tương tự ta tính các thông số bộ lọc cho trường hợp thứ 2 và thứ 3 Bảng 7: Thông số và kết quả tính toán tải số 2 Hình 7: Biểu đồ phân tích FFT dòng điện R2(Ω) L2(H) ZL2(Ω) cosϕ2 sinϕ2 tải Dong dien nguon sau khi loc thu dong 250 6 1.50E-02 4.71E+00 7.87E-01 6.17E-01 200 150 100 50 Kết quả tính toán 0 -50 -100 -150 C5 0.000197963 L5 0.00204935 R5 0.321747884 -200 -250 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thoi gian (s) 4 x 10 C7 0.000197963 L7 0.001045587 R7 0.229819917 Hình 8: Dạng sóng dòng điện nguồn sau khi qua lọc thụ động Trường hợp tải số 3: 6
7. - Trước khi kết nối các bộ lọc thì dạng sóng dòng điện nguồn và tải có hệ số hài cao, biên độ các pha mất cân bằng, THD = 25,26%, và biên độ hài bậc 5 chiếm tỷ lệ cao 19,12%, bậc 7 chiếm 12,09%. Hình 9: Phổ hài dòng điện nguồn sau khi - Khi kết nối với bộ lọc thụ động thì biên qua lọc thụ động độ hài bậc 5 đã giảm còn 8,2%, biên độ Dong dien nguon sau khi co loc tich cuc 200 hài bậc 7 còn 2,91%, hệ số méo dạng 150 100 sóng hài dòng điện nguồn đã giảm THD 50 0 -50 = 11,64%, như vậy bộ lọc thụ động đã -100 -150 hoạt động có hiệu quả. -200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Thoi gian (s) 5 x 10 - Khi kết nối cả bộ lọc thụ động với bộ Hình 10: Dòng điện nguồn sau khi qua bộ lọc tích cực thì: Dòng điện nguồn các pha lọc tích cực A, B, C trở lại cân bằng dạng gần hình sin chuẩn, biên độ dòng điện đỉnh khoảng 190 A, dòng điện dây trung tính bằng 0, tổng độ méo sóng hài dòng điện nguồn THD = 1,07% < 5% (theo tiêu chuẩn IEEE STĐ 519). Hình 11: Phổ hài dòng điện nguồn sau - Và khi có bộ lọc thụ động cùng hoạt khi có lọc tích cực động thì công suất của bộ lọc tích cực được giảm, tần số đóng cắt các van bán dẫn được giảm, dẫn đến tăng tuổi thọ bộ lọc tích cực. Hình 12: Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp 5. KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 7
8. [1] Nguyễn Văn Sơn. Nghiên Cứu Bộ Lọc Và Bù Công Suất Phản Kháng Dùng Thiết Bị Điện Tử Công Suất. Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học, Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp, 2009. [2] Tuğçe Demirdelen. Modeling And Analysis Of Multilevel Parallel Hybrid Active Power Filter. Master Thesis, Çukurova University, Adana, 2013. [3] Sangamesh Bukka, Mohammad Yunus M Hakim, Sanjeev T.M, S. G. Ankaliki. Performance Analysis Of Three Phase Shunt Hybrid Active Power Filter. International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 03, 2014. [4] Mr. Suvas Vora, Mr. Dipak H. Bhatt, Mr. Jay B. Thakar. Comparative Study On Different Control Strategies Using Shunt Active Power Filter For Current Harmonics Mitigation. International Journal For Technological Research In Engineering, Vol. 1, 2014. [5] S. P. Litrán, P. Salmerón, R. S. Herrera, and J. R. Vázquez. New Control Strategy To Improve Power Quality Using A Hybrid Power Filter. University of Huelva, Spain2013. [6] Tugce Demirdelen, Mustafa Inci, K. Çagatay Bayindir, Mehmet Tumay. Review of Hybrid Active Power Filter Topologies and Controllers. 4th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, Istanbul, Turkey, 2013. [7] Muneer Ahamed Khan, Dr S Chatterji, S. L. Shimi. Hybrid Active Power Filter and Power Conditioning - An Overview. International Journal of Research in Electronics & Communication Technology, Vol.2, 2014. [8] M.C. Benhabib∗, S. Saadate. New control approach for four-wire active power filter based on the use of synchronous reference frame. Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy. 2004. [9] V. Soares, et al. Active Power Filter Control Circuit Based on the Instantaneous Active and Reactive Current - Method. IEEE Power Electronics Specialists Conference, Vol.2, 1997, pp. 1096-1101. [10] H. Akagi, et al. Instantaneous Power Theory and Aplications to Power Conditioning. John Wiley & Sons, Hoboken, 2007. 8
9. [11] M. Aredes, et al. Three-Phase Four-Wire Shunt Active Filter Control Strategies. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 12, No. 2, 1997, pp. 311-318. [12] Y. Xu, L. M. Tolbert, F. Z. Peng, J. N. Chiasson, and J. Chen. “Compensation- based nonactive power definition”. IEEE Power Electron. Lett., vol. 1, no. 2, pp. 455- 450, Jun. 2003. [13] H. Akagi, H. Kanazawa and Y. Nabae. Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices without Energy Storage Components. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-20, No. 3, 1984, pp. 625-630. [14] João Afonso, Carlos Couto, Júlio Martins. Active Filters with Control Based on the p-q Theory. IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, vol. 47, nº 3, Sept. 2000. [15] Bhim Singh, Kamal Al-Haddad. A Review of Active Filters for Power Quality Improvement. IEEE transactions on industrial electronics, vol. 46, no. 5, october 1999. 9
10. 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.