Nghiên cứu lọc tích cực trong mạng điện phân phối có xét đến điều kiện điện áp không đối xứng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ

XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN ĐIỆN ÁP KHÔNG ĐỐI XỨNG

Họ và tên học viên: Đỗ Văn Bảy

Chuyên ngành: Kỹ Thuật điều khiển và Tự động hóa

Người hướng dẫn khoa học:PGS- TS. Ngô Đức Minh

THÁI NGUYÊN, NĂM 2017

LUẬN VĂN THẠC SỸ

2

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG...............................................................................3

Chương 1 .........................................................................................................................8

TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG................8

1.1 Tổng quan về sóng hài...............................................................................................8

1.1.1 Giới thiệu chung .................................................................................................8

1.1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện................................................12

1.1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao..........................................................................18

1.2 Tổng quan về công suất phản kháng .......................................................................21

1.2.1 Giới thiệu chung ...............................................................................................21

1.2.2 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng ....................................................22

1.3 Kết luận chương 1 ...................................................................................................23

Chương 2 .......................................................................................................................24

CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI.....................................................................24

2.1 Khái niệm lọc sóng hài............................................................................................24

2.2 Các phương pháp lọc sóng hài ................................................................................24

2.2.1 Bộ lọc thụ động ................................................................................................24

2.2.2 Bộ lọc chủ động................................................................................................26

2.3 Kết luận....................................................................................................................31

Chương 3 .......................................................................................................................32

LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP...................32

3.1 Mô hình hệ thống.....................................................................................................32

3.2 Tải phi tuyến............................................................................................................33

3.3 Lọc tích cực AF .......................................................................................................36

3.4 Các phương pháp điều khiển lọc AF.......................................................................39

3.4.1 Cấu trúc hệ điều khiển......................................................................................39

3.4.2 Các phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực ...................................................41

3.5 Kết luận....................................................................................................................50

Chương 4 .......................................................................................................................51

THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO TẢI PHI TUYẾN...........................................51

4.1 Phân tích ảnh hưởng đến lưới điện của tải phi tuyến dạng bể mạ...........................51

4.1.1 Giới thiệu chung ...............................................................................................51

4.1.2 Phân tích ảnh hưởng đến lưới của phụ tải bể mạ. ............................................54

LUẬN VĂN THẠC SỸ

3

4.1.3 Kết quả mô phỏng.........................................................................................60

4.2 Xây dựng cấu trúc mạch lọc cho nguồn bể mạ .......................................................64

4.2.1 Xác định giá trị điện áp một chiều của nghịch lưu...........................................65

4.2.2 Xác định giá trị tụ điện C .................................................................................65

4.2.3 Xác định giá trị điện cảm L .............................................................................66

4.2.4 Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển.................................................68

4.2.5 Khâu tạo xung cho bộ nghịch lưu.....................................................................68

4.3 Mô phỏng hoạt động của bộ AF lọc với nguồn bể mạ ............................................72

4.3.1 Trường hợp điện áp lưới tại điểm kết nối là đối xứng..................................72

4.3.2 Trường hợp điện áp tại điểm nối giữa mạch lọc và lưới là không đối xứng....79

4.3.3 Nhận xét............................................................................................................83

4.4. Kết luận...................................................................................................................84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................84

LUẬN VĂN THẠC SỸ

4

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

Hình 1. 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng........................................................8

Hình 1. 2 Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3 ..........................................................8

Hình 1. 3 Phân tích Fn thành an và bn ...........................................................................10

Hình 1. 4 Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha...................11

Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha ........................................................13

Hình 1. 6 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển ..........13

Hình 1. 7 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha...........................................................14

Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ..............................14

Hình 1. 9 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ............14

Hình 1. 10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ..............................15

Hình 1. 11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển .................................15

Hình 1. 12 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi  = 300

....................................16

Hình 1. 13 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi  = 500

....................................16

Hình 1. 14 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi  = 700

....................................17

Hình 1. 15 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi  = 900

....................................18

Hình 1. 16 Quan hệ giưa các thành phần công suất trên đồ thị vectơ..........................21

Bảng 1. 1 Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit) ......................................20

Bảng 1. 2 Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current Distortion

Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV)...........................................20

Bảng 1. 3 IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc)……………………………..20

Hình 2. 1 Bộ lọc RC.......................................................................................................25

Hình 2. 2 Bộ lọc LC.......................................................................................................25

Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lưới kiểu song song ...........................................27

Hình 2. 4 Mô tả nguyên lý hoạt động của AF song song ..............................................28

Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp..............................................29

Hình 2. 6 Nguyên lý hoạt động của AFs........................................................................29

Hình 2. 7 Bộ lọc kiểu lai................................................................................................30

Hình 2. 8 Bộ lọc UPQC.................................................................................................30

Hình 3. 1 Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến.....................................32

Hình 3. 2 Cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển................................................................33

Hình 3. 3 Cấu trúc mô phỏng tải chỉnh lưu cầu 3 pha..................................................33

Hình 3. 4 Trị hiệu dụng điện áp lưới trước chỉnh lưu khi  = 150

...............................34

Hình 3. 5 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 15độ.........................34

Hình 3. 6 Phân tích sóng hài dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 150

...................35

Hình 3. 7 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 50độ.........................35

Hình 3. 8 Phân tích sóng hài dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi  = 50độ ................36

Hình 3. 9 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực ......................................................36

Hình 3. 10 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM..................................................................37

Hình 3. 11 Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM......................................................38

Hình 3. 12 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ...................................................................38

Hình 3. 13 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ...................................................................39

Hình 3. 14 Cấu trúc điêu khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích

cực..................................................................................................................................40

LUẬN VĂN THẠC SỸ

5

Hình 3. 15 Cấu trúc điêu khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích

cực..................................................................................................................................40

Hình 3. 16 Phương pháp FFT .......................................................................................42

Hình 3. 17 Thuật toán xác định dòng bù trong khung tọa độ dq ..................................43

Hình 3. 18 Thuật toán lựa chọn các sóng hài cần bù trong hệ dq ................................44

Hình 3. 19 Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời.....................................47

Hình 3. 20 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực ...........................49

Hình 4. 1 Sơ đồ hệ thống bể mạ ....................................................................................52

Hình 4. 2 Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng .................................................................52

Hình 4. 3 Giải pháp bù sát cục bộ phụ tải.....................................................................53

Hình 4. 4 Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ .....................................................................54

Hình 4. 5 Mô hình hệ thống điêu khiển bể mạ ..............................................................55

Hình 4. 6 Nguồn xoay chiều 3 pha ................................................................................55

Hình 4. 7 Mô hình mạch lực của tải phi tuyến ..............................................................56

Hình 4. 8 Mô hình khâu điều áp xoay chiều 3 pha........................................................56

Hình 4. 9 Mô hình tải bể mạ..........................................................................................57

Hình 4. 10 Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ .............................................57

Hình 4. 11 Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải ..........................................................58

Hình 4. 12 Khối tính toán công suất..............................................................................58

Hình 4. 13 Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha.............................................59

Hình 4. 14 Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha.................................................59

Hình 4. 15 Mô hình khối hiển thi tham số .....................................................................59

Hình 4. 16 Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải ................................................................60

Hình 4. 17 Dòng điện phía nguồn cấp cho tải ..............................................................60

Hình 4. 18 Dòng điện nguồn pha A...............................................................................60

Hình 4. 19 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=8 (V).............................61

Hình 4. 20 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=16 (V)..........................61

Hình 4. 21 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=22 (V)..........................61

Hình 4. 22 Thành phần điều hòa bậc 5 của dòng điện nguồn pha A............................63

Hình 4. 23 Thành phần điều hòa bậc 7 của dòng điện nguồn pha A............................63

Hình 4. 24 Hệ số công suất khi chưa có mạch lọc ........................................................64

Hình 4. 25 Dòng điện và điện áp nguồn pha A .............................................................64

Hình 4. 26 Sơ đồ nguyên lý mạch lực có sử dụng bù ....................................................64

Hình 4. 27 Mô hình khối tính toán dòng bù chuẩn........................................................68

Hình 4. 28 Khối chuyển điện áp trong hệ abc sang αβ .................................................69

Hình 4. 29 Khối chuyển dòng trong hệ abc sang αβ .....................................................69

Hình 4. 30 Khối tính toán công suất p,q........................................................................69

Hình 4. 31 Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ........................................70

Hình 4. 32 Khối tính toán công suất bù cung cáp bởi mạch lọc ...................................70

Hình 4. 33 Khối tính toán dòng bù trong hệ αβ ............................................................70

Hình 4. 34 Khối tính toán dòng bù trong hệ abc...........................................................71

Hình 4. 35 Khối phát xung cho bộ nghịch lưu ..............................................................71

Hình 4. 36 Mô hình mô phỏng AF cho tải bể mạ ..........................................................72

Hình 4. 37 Điện áp nguồn .............................................................................................73

Hình 4. 38 Dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động ..............................................73

Hình 4. 39 Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động....................................73

LUẬN VĂN THẠC SỸ

6

Hình 4. 40 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=8 (V) khi mạch lọc tác động...74

Hình 4. 41 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=16 (V) khi mạch lọc tác động..74

Hình 4. 42 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=22 (V) khi mạch lọc tác động.74

Hình 4. 43 Thành phần sóng hài bậc 5 trước và sau khi mạch lọc tác động................76

Hình 4. 44 Thành phần sóng hài bậc 7 trước và sau khi mạch lọc tác động................76

Hình 4. 45 Công suất nguồn trước và sau khi mạch lọc tác động ................................76

Hình 4. 46 Công suất mạch lọc trước và sau khi tác động ...........................................77

Hình 4. 47 Hệ số công suất sau khi mạch lọc tác động ................................................77

Hình 4. 48 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động.....................77

Hình 4. 49 Phân tích FFT Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động ..........78

Hình 4. 50 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động.....................78

Hình 4. 51 Điện áp nguồn không đối xứng ..................................................................79

Hình 4. 52 Dòng điện nguồn trong trường hợp điện áp nguồn không đối xứng...........79

Hình 4. 53 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A........................................................79

Hình 4. 54 Cấu trúc mạch PLL .....................................................................................80

Hình 4. 55 Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù.......................................................80

Hình 4. 56 Dòng điện nguồn sau khi lọc dùng PLL......................................................81

Hình 4. 57 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A........................................................81

Hình 4. 58 Nối ghép tụ của mạch lọc ............................................................................83

Bảng 4. 1 Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn .......................62

Bảng 4. 2 Biến thiên dòng điện với các thành phần sóng hài.......................................67

Bảng 4. 3 Giá trị các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn……………………..75

LUẬN VĂN THẠC SỸ

7

LỜI NÓI ĐẦU

Trong hệ thống điện, các nhà máy, xí nghiệp, liên doanh công nghiệp đã trở thành

những khách hàng chính (gọi là phụ tải công nghiệp) tiêu thụ phần lớn lượng điện năng

trong hệ thống điện. Các hoạt động sản xuất của phụ tải công nghiệp đòi hỏi chất lượng

điện năng cung cấp cao và đạt các chuẩn quốc tế. Đặc biệt, trong đó một chỉ tiêu quan

trọng là tiêu chuẩn về sóng hài – Được đề cập lần đầu tiên tại Việt Nam năm 2010 [1]

Trước đó, các tài liệu giảngdạy ở Việt nam chưa đề cập tiêu chuẩn sóng hài trong các

chỉ tiêu đánh giá điện năng. Có rất nhiều nguyên nhân phát sinh sóng hài trong hệ thống

điện, trong khi đó sóng hài trên lưới điện phân phối lại phần lớn do các thiết bị sản xuất

công nghiệp gây nên. Trong số đó phải kể đến các loại lò điện, các bể mạ điện, bể

mạ…Mục tiêu đề ra nhằm đạt được hiệu quả cao nhất là lọc bỏ sóng hài ngay tại nơi

phát sinh, để thực hiện điều này lại có nhiều giải pháp và phương thức thực hiện khác

nhau [2-12]: Dùng các bộ lọc thụ động kiểu LC có ưu điểm là đơn giản rễ lắp đạt và vận

hành nhưng kết quả không hoàn hảo: tần số lọc được là cố định phụ thuộc vào thông số

thiết bị đã thiết kế lắp đặt, tổn hao mất mát năng lượng nội bộ lớn. Thông thường các bộ

lọc LC được thiết kế cho lọc các hài bậc thấp 3, 5, 7 để lại trên lưới các các hài bậc cao

mà trong nhiều trường hợp các hài bậc cao trên 7 lại chiếm tỷ lệ đáng kể và tác hại của

hài bậc cao đó cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của hệ thống điện gây ra nhiều tác

hại nghiêm trọng như gây sai số cho các thiết bị đo đếm trong các hệ thống bảo vệ, đo

lường tự động hóa... Giải pháp khác được đề xuất đó là sử dụng bộ lọc tích cực. Bộ lọc

tích cực (AF), thực chất là một máy phát bù sóng hài (thiết bị bù) có cấu trúc cơ bản như

một nghịch lưu PWM (đôi khi cũng gọi là chỉnh lưu tích cực) [3]. Đối với các sóng hài

bậc cao AF thực hiện bù không, nghĩa là phổ của các sóng hài có trên lưới và phổ của

sóng hài do AF phát vào lưới có phép cộng bằng không. Theo nguyên tắc này AF có thể

được thiết kế lọc cho một số hài cố định hoặc có thể lọc cho cả phổ sóng hài rất rộng và

từ đây hình thành rất nhiều ý tưởng khoa học cho mỗi hướng nghiên cứu về AF. Một

cách hiểu thứ hai về chức năng bù của AF là bù thiếu, bù thiếu được áp dụng cho việc

bù công suất phản kháng thành phần sóng hài cơ bản. Nghĩa là AF sẽ thực hiện chức

năng phát công suất phản kháng vào lưới nhằm mục đích nâng cao điện áp tại điểm kết

nối. Tất nhiên, AF cũng có thể hấp thụ công suất phản kháng để tránh quá áp khi cần

thiết nhưng việc phân tích vấn đề này sẽ vượt quá phạm vi nghiên cứu của đề tài. Trong

khuôn khổ luận văn sẽ nghiên cứu bộ lọc tích cực với hai chức năng đó là lọc sóng hài

bậc cao và bù công suất phản kháng. Nội dung được trình bày trong bốn chương:

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS. Ngô Đức Minh cùng với sự cố

gắng của bản thân em đã hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên, không tránh khỏi những

thiếu sót, em kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và đồng

nghiệp.

LUẬN VĂN THẠC SỸ

8

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1.1 Tổng quan về sóng hài

1.1.1 Giới thiệu chung

Hoạt động của hệ thống điện đó là một quá trình cân bằng giữa tổng công suất phát

và công suất thu. Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủ đạo là các nhà

máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần số cơ bản 50Hz (hoặc (60) Hz

đối với một số nước như Mỹ, Nhật...). Ngược lại, thu công suất thuộc về phía hộ tiêu thụ

hay còn gọi là tải với nhiều loại hình khác nhau là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các

thành phần không sin trong hệ thống điện. Nói một cách khác là các sóng hài bậc cao

(bội số của tần số cơ bản) được sinh ra ngoài mong muốn.

Theo phân tích Fourier, một sóng dòng điện hay điện áp hình sin khi bị méo dạng

tương đương với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, còn lại là các thành phần

sóng hài bậc cao. Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ thuộc vào độ méo dạng so với

ban đầu. Hiện nay các sóng hài bậc cao được nhiều người đặt cho tên gọi là sóng hài.

Hình 1. 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng

Hình 1. 2 Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

-400

-200

0

200

400

Time (s) Song hai h1, h2,h3