Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƢƠNG TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

THÁI NGUYÊN - 2019

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƢƠNG TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH

PHÒNG ĐÀO TẠO

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

THÁI NGUYÊN - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Lƣơng Trung Hiếu

Học viên: Lớp cao học K20, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp -

Đại học Thái Nguyên.

Nơi công tác: Công ty Điện lực Thái Nguyên

Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện

chất lượng điện năng cho luới điện phân phối”.

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Tôi xin cam đoan những vấn đề đƣợc trình bày trong bản luận văn

này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dƣới sự hƣớng dẫn của

PGS.TS. Trần Xuân Minh và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trƣờng

Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Mọi thông tin trích

dẫn trong luận văn này đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2019

Học viên thực hiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Lƣơng Trung Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận

đƣợc sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Trần Xuân Minh, ngƣời

trực tiếp hƣớng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành

và sâu sắc tới thầy.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên

trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều

kiện giúp đỡ tốt nhất để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi

cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cung lớp

động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân

thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế

và lấy số liệu phục vụ cho luận văn.

Cuối cùng, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình,

đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng

tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này.

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2019

Học viên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Lƣơng Trung Hiếu

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. ii

MỤC LỤC ...................................................................................................... iii

DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT ...................................................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................ vii

DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ ............................................ viii

MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1

1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1

2. Nội dung nghiên cứu của đề tài................................................................... 1

3. Kết quả dự kiến ........................................................................................... 1

4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 2

5. Công cụ, thiết bị nghiên cứu ....................................................................... 2

6. Bố cục đề tài ................................................................................................ 2

7. Kế hoạch thực hiện ...................................................................................... 2

Chƣơng 1. TỔNG QUAN LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - LƢỚI ĐIỆN

TRUNG ÁP .................................................................................................... 3

1.1. Tổng quan chung ...................................................................................... 3

1.1.1. Định nghĩa lƣới điện trung áp ............................................................... 3

1.1.2. Phân loại lƣới điện trung áp .................................................................. 3

1.1.3. Vai trò của lƣới điện trung áp ............................................................... 4

1.1.4. Các phần tử chính của lƣới điện trung áp ............................................. 4

1.1.5. Cấu trúc của lƣới điện trung áp ............................................................. 6

1.1.6. Đặc điểm của lƣới điện trung áp ......................................................... 10

1.2. Hiện trạng lƣới điện trung áp tại Việt Nam ........................................... 11

1.2.1. Tình hình phát triển lƣới điện trung áp ............................................... 11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1.2.2. Tình hình phát triển phụ tải điện ......................................................... 11

1.3. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................. 12

Chƣơng 2. SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ PHƢƠNG PHÁP KHỬ SÓNG HÀI .... 15

2.1. Đặt vấn đề............................................................................................... 15

2.2. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao ..................................................... 15

2.2.1. Ảnh hƣởng của sóng điều hòa bậc cao và quy định giới hạn thành

phần sóng điều hòa bậc cao trên lƣới điện .................................................... 20

2.2.2. Một số nguồn tạo sóng điều hòa bậc cao trong công nghiệp .............. 22

2.3. Phƣơng pháp khử sóng hài bậc cao ........................................................ 27

2.3.1. Bộ lọc sóng điều hòa bậc cao .............................................................. 27

2.3.2. Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực ..............................

2.3.3. Bộ lọc hỗn hợp .................................................................................... 39

2.3.4. Các thiết bị bù công suất phản kháng ................................................. 40

2.4. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................. 48

Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC TRONG LƢỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN ............................................. 49

3.1. Đặt vấn đề............................................................................................... 49

3.2. Lý thuyết về phƣơng pháp lọc tích cực .................................................. 49

3.2.1. Các phƣơng pháp lọc tích cực dựa trên miền tần số ........................... 49

3.2.2. Các phƣơng pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian ...................... 50

3.3. Mô hình bể điện phân ............................................................................. 56

3.4. Cấu trúc của bộ lọc tích cực ................................................................... 60

3.5. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................. 72

Chƣơng 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ... 74

4.1. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [4] ............ 74

4.1.1. Nguồn xoay chiều 3 pha ...................................................................... 74

4.1.2. Khối mạch lực ..................................................................................... 74

4.1.3. Khối điều khiển dòng .......................................................................... 76

4.1.6. Khâu lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha .............................. 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

4.1.7. Khâu đo dòng điện, điện áp ................................................................ 82

4.2. Sơ đồ và kết quả mô phỏng .................................................................... 82

4.2.1. Mô phỏng trƣờng hợp chƣa có bộ lọc tích cực ................................... 83

4.2.2. Mô phỏng trƣờng hợp có bộ lọc tích cực ............................................ 87

4.4. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................. 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 94

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 95

DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Thuật ngữ đầy đủ Chú thích

CSPK Công suất phản kháng

CSTD Công suất tác dụng

DSVC Dynamic - Static Var Compensation

FACTS Flexible alternating current transmission systems

FC Fixed Capacitor

FC-TCR Fixed Capacitor - Thyristor controller Reactor

Hệ số PF Power factor công suất

SSSC Static Synchronous Series Controllers

Bù công suất SVC Static Var Compensation kiểu tĩnh

STATCOM Static Synchronous Compensator

TCR Thyristor controller Reactor

TCSC Thyristor Controlled Series Compensation

TSC Thyristor Switched Capacitor

Đơn vị

Var Volt-ampere reactive công suất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

phản kháng

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp ................. 21

Bảng 2.2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện ............. 21

Bảng 2.3: IEC 1000-3-4 ............................................................................ 22

Bảng 3.1: Modul vector biên trái, biên phải bằng các thành phần

điện áp us, us ............................................................................ 70

Bảng 3.2: Thuật toán điều chế vector không gian ..................................... 71

Bảng 4.1. Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn .......... 85

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Bảng 4.2: Giá trị các thành phần sóng điều hòa trong dòng điện nguồn ......... 90

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1: Sơ đồ lƣới phân phối hình tia ................................................... 8

Hình 1.2: Sơ đồ lƣới phân phối hình tia có phân đoạn ............................. 8

Hình 1.3: Sơ đồ lƣới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp ................ 8

Hình 1.4: Sơ đồ lƣới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập ....... 9

Hình 1.5. Sơ đồ lƣới điện kiểu đƣờng trục ............................................... 9

Hình 1.6: Sơ đồ lƣới điện có đƣờng dây dự phòng chung ........................ 9

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phân phối điện ............................................... 10

Hình 2.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ

không sin) ............................................................................... 16

Hình 2.3: Hình 2.2: Các thành phần sóng điều hòa ................................................ 17 thành an và bn ...................................................... 18 Phân tích Fn

Hình 2.4: Phổ của các thành phần điều hòa ............................................ 19

Hình 2.5: Mô hình chỉnh lƣu cầu Đi ốt 1 pha ......................................... 23

Hình 2.6: Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lƣu cầu Đi ốt 1 pha ......... 23

Hình 2.7: Chỉnh lƣu cầu Đi ốt 1 pha, dạng dòng điện và phổ ................ 23

Hình 2.8: Mô hình chỉnh lƣu cầu Đi ốt 3 pha ......................................... 24

Hình 2.9: Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lƣu cầu Đi ốt 3 pha ......... 24

Hình 2.10: Chỉnh lƣu cầu Đi ốt 3 pha, dạng dòng điện và phổ ................ 25

Hình 2.11: Chỉnh lƣu Thyristor cầu 3 pha ................................................ 25

Hình 2.12: Dòng điện pha A ..................................................................... 26

Hình 2.13: Dạng dòng điện iA và phổ ....................................................... 26

Hình 2.14: Bộ lọc RC ............................................................................... 28

Hình 2.15: Bộ lọc LC ................................................................................ 29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.16: Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi chƣa có bộ lọc thụ động ......... 29

Hình 2.17: Đáp ứng dòng, áp tại vị trí B1 và B2 khi chƣa có bộ

lọc thụ động ............................................................................ 30

Hình 2.18: Phổ điện áp tại B1 và B2 ........................................................ 30

Hình 2.19: Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi có bộ lọc thụ động .................. 31

Hình 2.20: Phổ điện áp tại B1 ................................................................... 31

Hình 2.21: Bộ lọc tích cực song song ....................................................... 34

Hình 2.22: Cấu trúc bộ lọc song song ....................................................... 35

Hình 2.23: Bộ lọc tích cực nối tiếp .......................................................... 36

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý AFS............................................................... 36

Hình 2.25: Bộ lọc tích cực 3 dây .............................................................. 37

Hình 2.26: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa ........................................ 37

Hình 2.27: Bộ lọc tích cực 4 dây .............................................................. 38

Hình 2.28: Cấu trúc VSI ........................................................................... 38

Hình 2.30: Cấu trúc bộ lọc hỗn hợp với bộ lọc tích cực có 2 loại: a)

song song và b) nối tiếp .......................................................... 39

Hình 2.31: Cấu trúc UPQC ....................................................................... 40

Hình 2.32: Cấu trúc SSSC ........................................................................ 42

Hình 2.33: Cấu trúc TCSC ........................................................................ 43

Hình 2.34: Cấu trúc SVC .......................................................................... 44

Hình 2.35: Cấu trúc Stacom ...................................................................... 45

Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Statcom ................................ 46

Hình 2.37: Nguyên lý bù của bộ bù tích cực ............................................ 46

Hình 2.38: Trạng thái hấp thụ công suất của bộ bù .................................. 47

Hình 2.39: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù ................... 48

Hình 3.1: Phƣơng pháp FFT ................................................................... 51

Hình 3.2: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq ............................... 52

Hình 3.3: Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ dq .......... 53

Hình 3.4: Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết pq. ............................. 54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống bể mạ ............................................................. 57

Hình 3.6: Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng ........................................... 58

Hình 3.7: Giải pháp bù sát nút phụ tải .................................................... 59

Hình 3.8: Mô hình bể mạ ........................................................................ 60

Hình 3.9: Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ ......................... 60

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch lực sử dụng bộ lọc tích cực ................ 61

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc ................................... 61

Hình 3.12: Sơ đồ mạch lực của bộ lọc ...................................................... 62

Hình 3.13: Sơ đồ thay thế mạch lực của bộ lọc ........................................ 62

Hình 3.14: Lƣu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q ............... 66

Hình 3.15: Thực hiện véc tơ us bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn ........ 67

Hình 3.16: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tƣ thứ nhất S1 ......... 68

Hình 3.17: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tƣ thứ nhất S2 ......... 69

Hình 3.18: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tƣ thứ nhất S3 ......... 69

Hình 3.19: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tƣ thứ nhất S4 ......... 69

Hình 3.20: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tƣ thứ nhất S5 ......... 70

Hình 3.21: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tƣ thứ nhất S6 ......... 70

Hình 4.1: Khối nguồn ba pha .................................................................. 74

Hình 4.2: Khối mạch lực của bể mạ ....................................................... 74

Hình 4.3: Khối điều áp xoay chiều 3 pha ............................................... 75

Hình 4.4: Khối chỉnh lƣu cầu 3 pha dùng Đi ốt...................................... 75

Hình 4.5: Khối điều chỉnh dòng điện tải ................................................. 76

Hình 4.6: Bộ biến đổi và tham số ........................................................... 76

Hình 4.7: Mạch điều khiển của bộ lọc .................................................... 77

Hình 4.8: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ ............................................... 78

Hình 4.9: Khâu tính công suất pq ........................................................... 78

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 4.10: Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ .................... 79

Hình 4.11: Khối tính toán công suất bù .................................................... 79

Hình 4.12: Khâu tính toán dòng bù pq .................................................... 80

Hình 4.13: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc ............................................ 80

Hình 4.14: Khâu tính toán độ méo dạng .................................................. 81

Hình 4.15: Khâu lấy tín hiệu ..................................................................... 82

Hình 4.16: Khâu đo dòng điện, điện áp .................................................... 82

Hình 4.17: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống cho tải bể điện phân

chƣa có bộ lọc tích cực ........................................................... 83

Hình 4.18: Dạng dòng điện nguồn ............................................................ 84

Hình 4.19: Dạng dòng điện nguồn pha A ................................................. 84

Hình 4.20. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 8 (V) ........ 84

Hình 4.21. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 16 (V) ..... 85

Hình 4.22. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 22 (V) ...... 85

Hình 4.23. Hệ số công suất khi chƣa có bộ lọc ........................................ 86

Hình 4.24: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống cho tải bể mạ có sự

tham gia của bộ lọc tích cực ................................................... 87

Hình 4.25: Điện áp nguồn cấp cho bể mạ ................................................. 88

Hình 4.26: Dòng điện nguồn sau khi bộ lọc tác động .............................. 88

Hình 4.27: Dòng điện nguồn pha A sau khi bộ lọc tác động .................... 88

Hình 4.28: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=8 (V) khi bộ

lọc tác động ............................................................................. 89

Hình 4.29: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=16 (V) khi bộ

lọc tác động ............................................................................. 89

Hình 4.30: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=22 (V) khi bộ

lọc tác động ............................................................................. 90

Hình 4.31: Công suất Q của nguồn và tải sau khi có bộ lọc tác động ...... 92

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 4.32: Hệ số công suất sau khi bộ lọc tác động ................................. 93

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Với sự phát triển không ngừng của đất nƣớc. Điện năng cung cấp cho

các phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lƣợng mà chất lƣợng điện

năng cũng phải đƣợc đảm bảo. Trong điều kiện vận hành, truyền tải điện

năng, do trên các phụ tải có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các

thành phần sóng điều hòa bậc cao. Các thành phần sóng điều hòa bậc cao này

gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng nhƣ làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công

suất, ảnh hƣởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lƣợng điện

năng... Do đó, các thành phần dòng điều hòa bậc cao trên lƣới phải đảm bảo

một số tiêu chuẩn giới hạn các thành phần điều hòa bậc cao.

Giải pháp để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên lƣới có nhiều giải pháp

khác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc tích cực dựa trên thiết bị điện tử

công suất và điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau.

Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên

cứu phƣơng pháp sử dụng bộ lọc tích cực để cải thiện chất lƣợng lƣới điện

cung cấp cho các phụ tải. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu bộ lọc tích cực

để cải thiện chất lượng điện năng cho luới điện phân phối”.

2. Nội dung nghiên cứu của đề tài

- Tổng quan về lƣới điện phân phối (lƣới điện trung áp).

- Phân tích sóng hài bậc cao.

- Thiết kế bộ lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao cho lƣới điện

phân phối.

- Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống.

3. Kết quả dự kiến

- Bộ lọc tích cực.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống.

4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Lƣới điện phân phối (lƣới điện trung áp);

- Bộ lọc tích cực;

- Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống trên nền

Matlab/Simulink.

5. Công cụ, thiết bị nghiên cứu

Xây dựng mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống

trên nền Matlab/Simulink.

6. Bố cục đề tài

Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hƣớng phát triển, Tài liệu tham

khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm 4 chƣơng sau:

Chƣơng 1: Tổng quan về lƣới điện phân phối

Chƣơng 2: Sóng hài bậc cao và phƣơng pháp lọc sóng hài bậc cao.

Chƣơng 3: Thiết kế bộ lọc tích cực cho lƣới điện phân phối cung cấp

cho phụ tải phi tuyến.

Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá chất lƣợng hệ thống.

7. Kế hoạch thực hiện

Toàn bộ nội dung của luận văn đƣợc thực hiện trong 6 tháng kể từ ngày

có quyết định. Kế hoạch thực hiện đƣợc cụ thể nhƣ sau:

Thời gian Ghi Nội dung nghiêncứu STT thực hiện chú

1 Nghiên cứu tổng quan về lƣới điện phân phối 1 tháng

2 Nghiên cứu về sóng hài bậc cao 1 tháng

3 Phƣơng pháp khử sóng hài bậc cao 1 tháng

4 Xây dựng mô hình toán của đối tƣợng điều khiển; 1 tháng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Thiết kế điều khiển bằng bộ lọc tích cực, mô phỏng, 5 1 tháng hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống;

6 Hoàn thiện luận văn 1 tháng

Chƣơng 1

TỔNG QUAN LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

1.1. Tổng quan chung

1.1.1. Định nghĩa lưới điện trung áp

Lƣới điện trung áp (LĐTA) là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm

vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh

cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. LĐTA là khâu cuối cùng của hệ

thống điện đƣa điện năng trực tiếp đến ngƣời tiêu dùng [1]. Tính đến nay lƣới

điện trung áp đã trải khắp các xã trên đất nƣớc, tuy nhiên còn một số thôn,

bản vẫn chƣa đƣợc dùng điện lƣới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các

thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel.

1.1.2. Phân loại lưới điện trung áp

Lƣới điện trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV

phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp

trung áp [1] [[11]].

Phân loại LĐTA trung áp theo 3 dạng:

- Theo đối tƣợng và địa bàn phục vụ, có 3 loại:

+ Lƣới phân phối thành phố;

+ Lƣới phân phối nông thôn;

+ Lƣới phân phối xí nghiệp.

- Theo thiết bị dẫn điện:

+ Lƣới phân phối trên không;

+ Lƣới phân phối cáp ngầm.

- Theo cấu trúc hình dáng:

+ Lƣới hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

+ Lƣới kín vận hành hở;

+ Sơ đồ hình lƣới;

1.1.3. Vai trò của lưới điện trung áp

Lƣới điện trung áp làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung

gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện.

Lƣới điện trung áp đƣợc xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện

năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ điện.

Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm

bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải. Đảm bảo chất lƣợng điện năng cao

nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép.

Lƣới điện trung áp trung áp có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ

thống điện:

- Trực tiếp đảm bảo chất lƣợng điện áp cho phụ tải.

- Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho

phụ tải. Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch

lƣới phân phối. Mỗi sự cố trên lƣới điện trung áp đều có ảnh hƣởng rất lớn

đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội.

- Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35%

cho nguồn điện, 15% cho lƣới hệ thống và lƣới truyền tải).

- Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng

xảy ra trên lƣới điện trung áp. Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này.

- Lƣới điện trung áp gần với ngƣời dùng điện, do đó vấn đề an toàn

điện cũng là rất quan trọng.

1.1.4. Các phần tử chính của lưới điện trung áp

Các phần tử chủ yếu trong LĐTA bao gồm [11],

- Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Thiết bị dẫn điện: Đƣờng dây tải điện.

- Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét

van, áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch.

- Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dƣới tải, thiết bị thay đổi

đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị

lọc sóng hài bậc cao.

- Thiết bị đo lƣờng: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản

kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lƣờng...

- Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù.

- Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự

đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo

trên đƣờng dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,...

- Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo

xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị

thực hiện,...

Mỗi phần tử trên lƣới điện đều có các thông số đặc trƣng (công

suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng

điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt...) đƣợc chọn trên cơ

sở tính toán kỹ thuật.

Những phần tử có dòng công suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị

đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù...) thì thông số của chúng ảnh hƣởng trực tiếp

đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên đƣợc dùng để tính

toán chế độ làm việc của lƣới điện trung áp.

Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm

việc. Một số ít phần tử có nhiều trạng thái nhƣ: Hệ thống điều áp, tụ bù có

điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc.

Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dƣới tải)

nhƣ: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dƣới tải. Một số khác có thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

thay đổi khi cắt điện nhƣ: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. Máy biến áp và

đƣờng dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dƣới tải.

Nhờ các thiết bị phân đoạn, đƣờng dây tải điện đƣợc chia thành nhiều

phần tử của hệ thống điện.

Không phải lúc nào các phần tử của lƣới phân phối cũng tham gia vận

hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế

khác. Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử

của lƣới không làm việc để lƣới điện trung áp vận hành hở theo điều kiện tổn

thất công suất nhỏ nhất.

1.1.5. Cấu trúc của lưới điện trung áp

Cấu trúc của LĐTA bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [11],

- Cấu trúc tổng thể: Là cấu trúc bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lƣới

đầy đủ. Muốn lƣới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải

là cấu trúc thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về

khả năng lập sơ đồ. Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế

và vật liệu để sửa chữa. Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần

của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, đa phần đó là cấu trúc vận hành.

- Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một hay

một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lƣới điện.

Cấu trúc vận hành bình thƣờng gồm các phần tử và các sơ đồ vận hành

do ngƣời vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều

kiện kỹ thuật, ngƣời ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ƣu theo điều kiện kinh

tế nhất (tổn thất nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận

hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, ngƣời ta phải nhanh chóng

chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử

cần thiết. Cấu trúc vận hành sự cố có chất lƣợng vận hành thấp hơn so với cấu

trúc vận hành bình thƣờng. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng

thao tác thuận lợi.

Ngoài ra, cấu trúc LĐTA còn có thể có các dạng nhƣ:

- Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này LĐTA không thể thay đổi sơ đồ vận

hành. Khi cần bảo dƣỡng hay sự cố thì toàn bộ hoặc một phần LĐTA phải

ngừng cung cấp điện. Cấu trúc dạng này chính là LĐTA hình tia không phân

đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt.

- Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này, LĐTA có thể

thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là khi đó LĐTA đƣợc cắt điện để thao

tác. Đó là lƣới điện trung áp có cấu trúc kín vận hành hở.

- Cấu trúc động hoàn toàn: Đối với cấu trúc dạng này, LĐTA có thể

thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi lƣới đang trong trạng thái làm việc. Cấu

trúc động đƣợc áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp

điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế LĐTA, trong đó cấu

trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận

hành kinh tế lƣới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc

động ở mức cao cho phép vận hành lƣới điện trong thời gian thực. LĐTA

trong cấu trúc này phải đƣợc thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời

gian ngắn để thao tác sơ đồ.

Một số dạng sơ đồ cấu trúc LĐTA:

- Lưới hình tia (Hình 1.1): Lƣới này có ƣu điểm là rẻ tiền nhƣng độ tin

ĐD

Nguồn

P…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

cậy rất thấp.

Hình 1.1: Sơ đồ lưới phân phối hình tia

- Lưới hình tia phân đoạn (Hình 1.2): Độ tin cậy cao hơn. Phân đoạn

lƣới phía nguồn có độ tin cậy cao do sự cố hay dừng điện công tác các đoạn

ĐD

Nguồn

TBP Đ

P…

lƣới phía sau, vì nó ảnh hƣởng ít đến các phân đoạn trƣớc.

Hình 1.2: Sơ đồ lưới phân phối hình tia có phân đoạn

- Lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp (Hình 1.3): Có độ tin cậy

cao hơn nữa do mỗi phân đoạn đƣợc cấp điện từ hai phía. Lƣới điện này có thể

vận hành kín cho độ tin cậy cao hơn nhƣng phải trang bị máy cắt và thiết bị bảo vệ

có hƣớng nên đắt tiền. Vận hành hở độ tin cậy thấp hơn một chút do phải thao tác

Nguồn

ĐD

TBPĐ ĐD

TBPĐ

TBPĐ ĐD

ĐD

khi sự cố nhƣng rẻ tiền, có thể dùng dao cách ly tự động hay điều khiển từ xa.

Hình 1.3: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp

- Lưới kín vận hành hở cấp điện từ 2 nguồn độc lập (hình 1.4): Lƣới

điện này phải vận hành hở vì không đảm bảo điều kiện vận hành song song

Nguồn 1

ĐD

TBPĐ ĐD

TBPĐ

Nguồn 2

TBPĐ ĐD

ĐD

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

lƣới điện ở các điểm phân đoạn, khi thao tác có thể gây ngắn mạch.

Hình 1.4: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập

- Lưới điện kiểu đường trục (Hình 1.5): Cấp điện cho một trạm cắt hay

một trạm biến áp, từ đó có các đƣờng dây cấp điện cho các trạm biến áp phụ

tải. Trên các đƣờng dây cấp điện không có nhánh rẽ, loại này có độ tin cậy

cao. Thƣờng dùng để cấp điện cho các xí nghiệp hay các nhóm phụ tải xa

Nguồn

ĐD1

ĐD2

trạm nguồn và có yêu cầu công suất lớn.

Hình 1.5. Sơ đồ lưới điện kiểu đường trục

- Lưới điện có đường dây dự phòng chung (Hình 1.6): Có nhiều

đƣờng dây phân phối đƣợc dự phòng chung bởi một đƣờng dây dự phòng.

Lƣới điện này có độ tin cậy cao và rẻ hơn kiểu một đƣờng dây dự phòng

cho một đƣờng dây nhƣ ở trên (Hình 1.5). Loại này đƣợc dùng tiện lợi

Nguồn

Đƣờng dây dự phòng

cho lƣới điện cáp ngầm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 1.6: Sơ đồ lưới điện có đường dây dự phòng chung

Lƣới điện trong thực tế là tổ hợp của 6 loại lƣới điện trên. Áp dụng cụ

thể cho lƣới điện trên không hay lƣới điện cáp ngầm khác nhau và ở mỗi hệ

thống điện có kiểu sơ đồ riêng.

Lƣới điện có thể điều khiển từ xa nhờ hệ thống SCADA và cũng có thể

đƣợc điều khiển bằng tay. Các thiết bị phân đoạn phải là loại không đòi hỏi bảo

dƣỡng định kỳ và xác suất sự cố rất nhỏ đến mức coi nhƣ tin cậy tuyệt đối.

- Sơ đồ hình lưới (Hình 1.7): Đây là dạng cao cấp nhất và hoàn hảo

nhất của lƣới phân phối trung áp. Lƣới điện có nhiều nguồn, nhiều đƣờng dây

tạo thành các mạch kín có nhiều điểm đặt thiết bị phân đoạn. Lƣới điện bắt

buộc phải điều khiển từ xa với sự trợ giúp của máy tính và hệ thống SCADA.

Nguồn 2

Nguồn 1

Nguồn 3

TBPĐ

Nguồn 4

Hiện đang nghiên cứu loại điều khiển hoàn toàn tự động.

Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phân phối điện

Trong sơ đồ, các vị trí cắt đƣợc chọn theo điều kiện tổn thất điện năng

nhỏ nhất cho chế độ bình thƣờng, chọn loại theo mùa trong năm và chọn theo

điều kiện an toàn cao nhất khi sự cố.

1.1.6. Đặc điểm của lưới điện trung áp

Lƣới điện trung áp đƣợc phân bố trên diện rộng, thƣờng vận hành

không đối xứng và có tổn thất lớn. Qua nghiên cứu cho thấy tổn thất thấp nhất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

trên lƣới điện trung áp vào khoảng 4% [11]

Vấn đề tổn thất trên lƣới điện trung áp có liên quan chặt chẽ đến các

vấn đề kỹ thuật của lƣới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành. Do đó, trên

cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lƣợng vận hành của

lƣới điện trung áp.

Trong những năm gần đây, lƣới điện trung áp của nƣớc ta phát triển

mạnh, các Công ty Điện lực cũng đƣợc phân cấp mạnh mẽ về quản lý. Vì vậy,

chất lƣợng vận hành của lƣới điện trung áp đƣợc câng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất

điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn.

1.2. Hiện trạng lƣới điện trung áp tại Việt Nam

1.2.1. Tình hình phát triển lưới điện trung áp

Do điều kiện lịch sử để lại, hiện nay hệ thống lƣới điện trung áp của

Việt Nam bao gồm nhiều cấp điện áp khác nhau, cả ở thành thị và nông

thôn. Nhằm nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện, đơn giản trong

quản lý vận hành, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lƣợng điện năng

của khách hàng và giảm tổn thất điện năng của toàn hệ thống đạt khoảng

10% vào năm 2010, Tập đoàn Điện lực Việt Nam thƣờng xuyên đầu tƣ mở

rộng, nâng cấp và cải tạo lƣới điện trung áp trên phạm vi cả nƣớc. Theo kế

hoạch phát triển đến năm 2010, LĐTA của tập đoàn đã đƣợc xây dựng

thêm 282.714 km đƣờng dây trung áp, hạ áp và 19.010 MVA công suất

máy biến áp phân phối [13], [14]

Cùng với sự đổi mới và phát triển kinh tế, quá trình phát triển và điện

khí hoá của nƣớc ta đã có những thay đổi quan trọng, góp phần thúc đẩy sự

phát triển của các ngành kinh tế, cải thiện mức sống về vật chất và tinh thần

cho nhân dân, đặc biệt là nông dân. Hiện nay 100% số huyện trong cả nƣớc

đã có điện lƣới quốc gia và hầu hết các xã đã có điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1.2.2. Tình hình phát triển phụ tải điện

Theo kết quả nghiên cứu của đề tài KHCN - 0907, “Dự báo nhu cầu

phụ tải trong giai đoạn 2000 - 2020” do Viện Chiến lƣợc phát triển, Bộ Kế

hoạch và Đầu tƣ xây dựng với 2 phƣơng án: phƣơng án cao và phƣơng án cơ

sở. Trong đó lấy nhịp độ phát triển dân số trong 25 năm (1996 - 2020) đƣợc

dự báo bình quân là 1,72%/năm.

Nhu cầu điện năng theo phƣơng án cao đƣợc dự báo theo phƣơng án

phát triển kinh tế cao. Để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế này, tốc độ tăng

trƣởng trung bình điện năng sẽ là 10,2%/năm và 8,9%/năm tƣơng ứng với

từng giai đoạn là 2000 - 2010 và 2010 - 2020. Đến năm 2020, nhu cầu điện

năng là 204 tỷ kWh. Tốc độ tăng trƣởng điện năng của cả giai đoạn 1996 -

2020 là 11%/năm.

Nhu cầu điện năng phƣơng án cơ sở đƣợc dự báo theo phƣơng án phát

triển kinh tế cơ sở. Để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế này, tốc độ tăng

trƣởng trung bình điện năng sẽ là 10,5%/năm và 8,2%/năm tƣơng ứng với

từng giai đoạn. Đến năm 2020, nhu cầu điện năng là 173 tỷ kWh. Tốc độ tăng

trƣởng điện năng của giai đoạn 2000 - 2020 là 10,4%/năm.

Với dự báo này thì ngành điện nói chung và lƣới điện trung áp địa

phƣơng nói riêng trong thời gian tới đòi hỏi phải có sự phát triển, cải tạo và

mở rộng rất lớn. Đây là một thực tế cần phải đƣợc quan tâm.

1.3. Kết luận chƣơng 1

Chƣơng này đã giới thiệu tổng quan một số vấn đề cơ bản về LĐTA,

bao gồm định nghĩa, cấu trúc, đặc điểm và vai trò của LĐTA, đồng thời giới

thiệu về tình hình phát triển LĐTA ở nƣớc ta và sự phát triển của phụ tải điện

đến năm 2020. Từ đó cho thấy LĐTA có vai trò hết sức quan trọng trong việc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

cung cấp điện, đáp ứng nhu cầu trực tiếp cho phụ tải.

Nền kinh tế ngày càng phát triển, đời sống con ngƣời ngày càng cao

dẫn đến nhu cầu về điện năng cũng rất lớn. Bên cạnh đó, các nguồn nhiên liệu

truyền thống cung cấp cho các nhà máy điện lớn ngày một cạn kiệt và đã gây

ảnh hƣởng rất lớn đến vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, biến đổi khí hậu; mặt khác,

việc phải xây dựng quá nhiều các hệ thống đƣờng dây cao áp truyền tải điện

năng đi xa rất tốn kém về kinh tế và cũng gây tổn thất rất lớn.

Nhằm góp phần giảm tải cho các nguồn phát điện trung tâm, giảm vốn

đầu tƣ và tổn thất công suất trên các lƣới điện truyền tải, giảm sự tác động

tiêu cực đến môi trƣờng. Trong những năm gần đây, với khoa học kỹ thuật

cao, việc nghiên cứu và đƣa vào thử nghiệm cũng nhƣ vận hành các nguồn

phát điện có công suất vừa và nhỏ đã và đang đƣợc đặc biệt quan tâm vì nhiều

ƣu điểm của nó. Những nguồn phát điện này đƣợc bố trí phân tán khắp nơi có

thể, làm nhiệm vụ cung cấp điện trực tiếp cho các phụ tải hoặc đƣợc đấu nối

vào lƣới điện trung áp để cung cấp điện cho một khu vực phụ tải rộng hơn.

Những nguồn phát điện này đƣợc gọi là “Nguồn phân tán”, những ƣu điểm

nổi bật nhất của nó là: Các nguồn năng lƣợng sơ cấp của các nguồn phân tán

hầu hết là các dạng năng lƣợng mới và tái tạo, có trữ lƣợng rồi rào, ít gây ảnh

hƣởng tiêu cực đến môi trƣờng; các nguồn này sản xuất ra điện năng tại nơi

tiêu thụ, nhƣ vậy sẽ giảm đƣợc tổn thất điện năng, chi phí không phải xây

dựng thêm các lƣới truyền tải điện đi xa.

Trên thế giới, các nguồn phân tán đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất

sớm. Tại Việt Nam, khái niệm về nguồn phân tán tuy còn mới mẻ nhƣng cũng

đang đƣợc quan tâm nghiên cứu rất nhiều, có nhiều nghiên cứu đã thành công

và đƣợc đƣa vào ứng dụng thực tế.

Trong chƣơng tiếp theo sẽ trình bày tổng quan về sự xuất hiện của sóng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

hài bậc cao và phƣơng pháp khử sóng hài bậc cao trong lƣới điện trung áp áp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Chƣơng 2

SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ PHƢƠNG PHÁP KHỬ SÓNG HÀI

2.1. Đặt vấn đề

Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công

nghiệp ngày càng đa dạng và phong phú về số lƣợng và chủng loại, kéo theo

đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lƣợng của hệ

thống cung cấp điện.

Ta biết rằng, điện năng truyền tải trong hệ thống cung cấp điện thông

qua việc sử dụng một sóng điện từ có tần số 50 Hz hoặc 60 Hz, gọi là sóng cơ

bản. Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân: Sự cố đƣờng dây, các

phụ tải nhƣ: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ… làm cho trong hệ thống

cung cấp điện tồn tại các sóng điện từ có tần số bằng bội số nguyên lần tần số

cơ bản. Các sóng này gọi chung là sóng điều hòa bậc cao.

Sự tồn tại của các sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống điện gây ảnh

hƣởng không tốt tới các thiết bị điện và đƣờng dây truyền tải. Chúng gây ra

hiện tƣợng: quá áp, méo điện áp lƣới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá

nhiệt cho các phụ tải, giảm chất lƣợng điện năng và gián đoạn cung cấp điện.

Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao ra

khỏi hệ thống điện. Các thiết bị đƣợc sử dụng để loại bỏ sóng điều hòa bậc

cao gọi là các bộ lọc.

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong

sản xuất công nghiệp. Đề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích

cực, đảm bảo các yêu cầu đặt ra về chất lƣợng điện năng cho lƣới cung cấp và

phân phối điện đến phụ tải.

2.2. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao

Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp hình sin đƣợc tạo ra tại các

nhà máy điện, trạm điện lớn có chất lƣợng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo

dạng. Khi đó dạng sóng không còn dạng sin [9],[10]

Hình 2.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo

(sóng chu kỳ không sin)

Sóng chu kỳ không sin có thể coi nhƣ là tổng của các dạng sóng điều

hoà mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản.

Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia

thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không:

- Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11…

- Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5, 8…

- Thành phần thứ tự không: các sóng điều hòa 3, 6, 9…

Khi xảy ra trƣờng hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

hòa có thể bao gồm một trong ba thành phần trên.

Sóng điều hòa bậc cao ảnh hƣởng trực tiếp tới chất lƣợng lƣới điện nên

cần phải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao lớn hơn mức độ cho

phép. Sóng điều hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số

nguyên lần tần số cơ bản.

Thí dụ: Ta có dòng điện với tần số 150(Hz) tồn tại trên lƣới làm việc

với tần số 50(Hz), suy ra đây là dòng điều hòa bậc 3 và dòng 150(Hz) này là

dòng không sử dụng đƣợc với các thiết bị làm việc trên lƣới 50(Hz). Vì vậy

nó sẽ chuyển thành dạng nhiệt năng và gây tổn hao.

f(t) 1.5

Thành phần cơ bản 1

Thành phần bậc 5 0.5

-0.5 Thành phần bậc 7

-1

-1.5

Hình 2.2: Các thành phần sóng điều hòa

Để phân tích sóng chu kỳ không sin thành các sóng điều hoà, ta sử

dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T(s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz) hoặc ω = 2πf

(rad/s), có thể biểu diễn một sóng chu kỳ không sin f(t) theo Fourier nhƣ biểu

thức sau:

( ) ∑ ( ) (2.1)

Trong đó:

: Giá trị trung bình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Fn: Biên độ của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier

( ) Thành phần sóng cơ bản ( ) Thành phần sóng cơ bản

: Góc pha của sóng điều hòa bậc n

Ta có thể viết nhƣ sau:

( ) ( ) (2.2) Ta quy ƣớc: ( )

Im 𝐹𝑛

𝑏𝑛

𝑎𝑛

𝜃𝑛

Hình 2.3: Phân tích Fn

thành an và bn

Khi đó ta có thể viết nhƣ sau:

( ) ∑ ∑ (2.3)

Ví dụ phổ của sóng điều hòa bậc cao đƣợc thể hiện nhƣ sau [4], [5]:

Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan

trọng nhất dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao.

(2.4)

Trong đó: X1: Biên độ thành phần cơ bản

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Xn: Biên độ thành phần điều hòa bậc n.

Hình 2.4: Phổ của các thành phần điều hòa

Từ công thức trên ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp

qua hệ số méo dạng nhƣ sau:

 Hệ số méo dạng dòng điện:

(2.5)

Trong đó: I1: Biên độ thành phần dòng cơ bản

In: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n.

 Hệ số méo dạng điện áp:

(2.6)

Trong đó: U1: Biên độ thành phần điện áp cơ bản

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Un: Biên độ thành phần điện áp điều hòa bậc n.

2.2.1. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao và quy định giới hạn thành

phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện

* Ảnh hƣởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm

tăng giá trị hiệu dụng cũng nhƣ giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể

(2.7)

thấy rõ qua công thức sau:

∫ ( )

(2.8)

√ = ( )√

∫ ( )

√ = ( )√

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng

điện tăng do sóng điều hòa bậc cao, sẽ dẫn đến tăng tổn hao nhiệt, làm hỏng

cách điện của các thiết bị, gây ra các hỏng hóc không mong muốn. Ảnh

hƣởng của sóng điều hòa bậc cao lênn một số thiết bị nhƣ sau:

- Các máy điện quay: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ

tăng; Làm méo mômen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; Có thể gây ra dao

động cộng hƣởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí…

- Các thiết bị đóng cắt: Làm tăng nhiệt độ và tổn hao trên thiết bị; Có

thể gây hiện tƣợng khó đóng cắt, kéo dài quá trình dập hồ quang dẫn đến tuổi

thọ của thiết bị giảm…

- Các rơ le bảo vệ: Có thể gây tác động sai, tác động ngƣợc, …

- Các tụ điện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất điện môi (làm

giảm dung lƣợng tụ), gây hiện tƣợng cộng hƣởng trên tụ…

- Các dụng cụ đo: Ảnh hƣởng đến sai số của các thiết bị sử dụng đĩa

cảm ứng, nhƣ: điện kế, rơ le quá dòng…

- Thiết bị điều khiển điện tử công suất: Việc điện áp bị méo có thể gây

ra trƣờng hợp xác định điểm không để tính góc mở cho các khóa điện tử công

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

suất bị sai, làm cho mạch hoạt động không chính xác…

* Giới hạn về thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lƣới điện.

Trên thế giới đƣa ra một số tiêu chuẩn:

- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp:

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp

Nhiễu điện áp Nhiễu điện áp tổng Điện áp tại từng loại sóng điều cộng các loại sóng điểm nối chung hòa (%)= điều hòa THD (%)

≤ 69 KV 3,0 5,0

Trên 69 KV đến 161KV 1,5 2,5

Trên 161 KV 1,0 1,5

- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối

chung (từ 120V đến 69KV) (tính theo % của Itải)

Bảng 2.2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện

Tỷ số ngắn mạch h<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THD (SCR=ISC/Itải)

<20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0

Từ 20 đến 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0

Từ 50 đến 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0

Từ 100 đến 1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0

Trên 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0

* Hài bậc chẵn đƣợc giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

* h: Bậc của sóng điều hòa

- IEC 1000-3-4 cho thiết bị có dòng đầu vào mỗi pha trên 75A

Bảng 2.3: IEC 1000-3-4

Giá trị (%) Giá trị (%) Bậc sóng Bậc sóng điều hòa (n) điều hòa (n) chấp nhận chấp nhận

19 19 1,1 3

9,5 21 ≤0,6 5

6,5 23 0,9 7

3,8 25 0,8 9

3,1 27 ≤0,6 11

2,0 29 0,7 13

0,7 31 0,7 15

2.2.2. Một số nguồn tạo sóng điều hòa bậc cao trong công nghiệp

Nguồn tạo sóng điều hòa bậc cao trong công nghiệp đƣợc tạo ra bởi các

tải phi tuyến:

- Các thiết bị điện tử công suất

Các thiết bị điện tử công suất bản thân đƣợc cấu thành từ các thiết bị

bán dẫn nhƣ Đi ốtt, Thyristor, mosfet, IGBT, GTO…là các phần tử phi tuyến

gây nên các sóng điều hòa bậc cao. Tùy theo cấu trúc của các bộ biến đổi mà

có thể sinh ra các dạng sóng điều hòa khác nhau. Thông thƣờng, để hạn chế

sóng điều hòa bậc cao, ngƣời ta sử dụng các mạch chỉnh lƣu cầu ba ghép lại

với nhau thành bộ chỉnh lƣu 12 xung hoặc bộ chỉnh lƣu 24 xung; tức là tăng

số van trong mạch chỉnh lƣu lên. Tuy nhiên khi chọn giải pháp nhƣ vậy sẽ dẫn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

tới thiết bị cồng kềnh, tổn thất điện áp lớn…

+ Ví dụ bộ chỉnh lƣu cầu Đi ốt 1 pha có mô hình:

Hình 2.5: Mô hình chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha

Hình 2.6: Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha

Hình 2.7: Chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha, dạng dòng điện và phổ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

+ Ví dụ bộ chỉnh lƣu cầu Đi ốt 3 pha có mô hình:

Hình 2.8: Mô hình chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha

Hình 2.9: Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.10: Chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha, dạng dòng điện và phổ

Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lƣu cầu ba pha có độ méo rất lớn

THD = 30,72 %. Các thành phần sóng điều hòa bậc cao này là do tính phi

tuyến của bộ chỉnh lƣu cầu gây ra. Trong đó các thành phần sóng điều hòa

bậc 3, 5, 7, 9 là chủ yếu.

+ Ví dụ bộ chỉnh lƣu Thyristor:

Hình 2.11: Chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Khi đó, dòng điện iA và phổ dòng điện pha A có dạng:

Hình 2.12: Dòng điện pha A

Hình 2.13: Dạng dòng điện iA và phổ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Máy biến áp

Trong quá trình hoạt động, nếu máy biến áp lực xảy ra hiện tƣợng bão

hòa mạch từ hoặc phải làm việc với điện áp cao hơn điện áp định mức có thể

sinh ra các sóng điều hòa bậc cao.

- Động cơ

Khi động cơ làm việc, biến thiên từ trở gây ra bởi khe hở giữa Stato và

Roto có thể gây nên sóng điều hòa bậc cao. Các máy điện đồng bộ có thể sản

sinh ra sóng điều hòa bậc cao bởi vì dạng từ trƣờng, sự bão hòa trong các

mạch chính và các đƣờng dò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt

không đối xứng.

- Đèn huỳnh quang

Đèn huỳnh quang đƣợc sử dụng rộng rãi trong đời sống, tuy nhiên với

loại đèn có dùng chấn lƣu điện tử sẽ gây nhiễu ngƣợc trở lại hệ thống điện,

gây ảnh hƣởng tới các thiết bị điện khác trong sinh hoạt

- Các thiết bị hồ quang

Các thiết bị hồ quang thƣờng xét là các lò hồ quang công nghiệp, máy

hàn… Khi lò hồ quang làm việc thì sóng điều hòa bậc cao đầu ra rất lớn.

….

Hiện nay, các phƣơng pháp loại bỏ sóng điều hòa bậc cao ra khỏi hệ

thống điện đang đƣợc nghiên cứu sâu, rộng. Đã có nhiều giải pháp mới để cải

tiến các thiết bị lọc sóng hài bậc cao và đã thu đƣợc những kết quả nhất định.

Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu của đề tài.

2.3. Phƣơng pháp khử sóng hài bậc cao

2.3.1. Bộ lọc sóng điều hòa bậc cao

Bộ lọc là thiết bị tạo ra đặc tính tần số định trƣớc mà chức năng của nó

là cho phép một số tần số đi qua và đồng thời loại bỏ các tần số khác. Bộ lọc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành các dạng:

- Bộ lọc thụ động (Passive filter).

- Bộ lọc chủ động (Active filter).

- Bộ lọc hỗn hợp.

2.3.1.1. Bộ lọc thụ động [9]

Bộ lọc thụ động có cấu trúc gồm các phần tử R, L, C đƣợc ghép nối với

nhau và lọc cho một tần số xác định. Nguyên lý hoạt động chung là tạo ra các

đƣờng dẫn trở kháng thấp để loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao ra khỏi hệ

thống điện. Trong sơ đồ lọc ba pha có hai loại bộ lọc là RC và LC, và ở đây tụ

điện đƣợc mắc theo hình sao hoặc tam giác:

- Bộ tụ điện mắc hình sao: Dung lƣợng tụ tăng lên 3 lần, loại bỏ đƣợc

sóng điều hòa bậc cao điện áp dây và pha, đặc biệt khi tụ đấu sao có trung

tính thì có thể loại bỏ đƣợc điện áp thứ tự không sinh ra khi chuyển mạch van

bán dẫn.

- Bộ tụ điện mắc hình tam giác: Tiết kiệm dung lƣợng tụ nhƣng không

loại trừ đƣợc hết sóng điều hòa bậc cao điện áp dây.

Ta xét một số loại bộ lọc:

*. Bộ lọc RC

- Ƣu điểm: đơn giản, giá thành rẻ, làm việc ổn định.

- Nhƣợc điểm: Tổn hao trên điện trở lớn khi công suất lớn, khả năng

Đến phụ tải

Đầu nguồn

chọn lọc tần số kém.

Hình 2.14: Bộ lọc RC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

* Bộ lọc LC

Ƣu điểm: Có khả năng lọc đƣợc nhiều tần số theo ý muốn.

Nhƣợc điểm: Giá thành cao, vận hành không ổn định nhƣ mạch RC,

gây nhiễu cho các thiết bị thông tin, có thể gây hiện tƣợng cộng hƣởng làm

Đến phụ tải

tăng dòng, áp…

Đầu nguồn

Hình 2.15: Bộ lọc LC

*. Ví dụ:

Để thấy đƣợc khả năng lọc sóng điều hoà bậc cao của bộ lọc thụ động

ta thực hiện mô phỏng việc ứng dụng bộ lọc thụ động trong hệ thống điện có

tải phi tuyến:

- Khi chƣa có bộ lọc:

Ta lấy kết quả dòng điện, điện áp tại 2 vị trí B1 và B2 trên sơ đồ mô

phỏng (hình 2.16):

Hình 2.16: Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ lọc thụ động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.17: Đáp ứng dòng, áp tại vị trí B1 và B2 khi chưa có bộ lọc thụ động

Kết quả phân tích Fourier điện áp tại vị trí B1 và B2:

Hình 2.18: Phổ điện áp tại B1 và B2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Khi có bộ lọc thụ động:

Hình 2.19: Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi có bộ lọc thụ động

Kết quả phân tích Fourier điện áp trên B1:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.20: Phổ điện áp tại B1

Từ kết quả phân tích phổ tần của điện áp tại vị trí B1 trƣớc và sau khi

có bộ lọc chất lƣợng điện áp đã đƣợc cải thiện (do THD giảm từ 15,97%

xuống chỉ còn 0,66%).

2.3.1.2. Bộ lọc chủ động (bộ lọc tích cực) [6],[7],[8],[9],[10],[11]

Dựa trên cấu trúc của các bộ biến đổi công suất, bộ lọc chủ động có

nguyên lý làm việc khác với bộ lọc thụ động cũng nhƣ có nhiều ƣu điểm và

tính năng vƣợt trội hơn.

Nhiệm vụ của bộ lọc tích cực

a. 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. Trƣờng hợp làm

việc ở dải công suất lớn thƣờng dùng bù bằng SVC - đóng ngắt bằng thyristor

(loại này có đáp ứng chậm nhƣng giá thành rẻ).

b. Bù sóng điều hòa bậc cao điện áp:

Bù điện áp không đƣợc chú ý nhiều trong hệ thống điện vì nguồn thƣờng

có trở kháng thấp và điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thƣờng duy trì

trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố tăng hoặc giảm áp. Vấn đề bù

điện áp chỉ đƣợc xem xét đến khi tải nhạy cảm với sự xuất hiện sóng điều hòa

bậc cao điện áp trong lƣới nguồn nhƣ các thiết bị bảo vệ hệ thống điện.

c. Bù sóng điều hòa bậc cao dòng điện:

Bù các thành phần sóng điều hòa bậc cao dòng điện có ý nghĩa quan

trọng đối với các tải công suất vừa và nhỏ. Việc giảm thành phần sóng điều

hòa bậc cao dòng điện trong lƣới còn có tác dụng giảm độ méo dạng điện áp

lƣới tại điểm đấu dây chung.

Giới hạn công suất của bộ lọc tích cực

a. Các ứng dụng phạm vi công suất thấp:

Các ứng dụng bộ lọc tích cực có công suất nhỏ hơn 100kVA, chủ yếu

phục vụ các khu dân cƣ, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

động công suất vừa và nhỏ.

Tính chất của các hệ thống tải này đòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực

tƣơng đối phức tạp có đáp ứng động học cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn

nhiều mạch lọc tích cực ở dãy công suất lớn. Thực tế đáp ứng có thể thay đổi

trong khoảng chục µs đến vài ms.

b. Các ứng dụng phạm vi công suất trung bình:

Các ứng dụng bộ lọc tích cực cho các thiết bị có công suất hoạt động

nằm trong khoảng từ 100kVA đến 10MVA. 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 bộ lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các

sóng điều hòa bậc cao dòng điện. Tốc độ đáp ứng bù lọc trong hệ thống ở

khoảng hàng chục ms.

c. Các ứng dụng phạm vi công suất lớn và rất lớn:

Dãy công suất rất lớn thƣờng gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền

động động cơ DC công suất rất lớn hoặc hệ thống truyền tải điện.

Bộ lọc tích cực ứng dụng cho phạm vi công suất lớn và rất lớn thì rất

tốn kém về mặt kinh tế vì đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị điện tử công suất

có khả năng đóng ngắt dòng điện ở công suất lớn và rất lớn.

2.3.2. Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực

2.3.2.1. Phân loại theo sơ đồ

a. Bộ lọc tích cực song song

Đặc điểm của bộ lọc tích cực (Active Filter) song song (AFn):

+ Bù sóng điều hòa bậc cao dòng điện;

+ Bù công suất phản kháng;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

+ Bù thành phần dòng điện không cân bằng.

IT Nguồn cấp IL

Tải phi tuyến

Bộ lọc tích cực

Hình 2.21: Bộ lọc tích cực song song

Chức năng của bộ lọc tích cực là triệt tiêu các sóng điều hòa dòng điện

bậc cao sinh ra bởi tải phi tuyến trên đƣờng dây, trả lại trên đƣờng dây dòng

điện hình sin chuẩn. Ngoài ra bộ lọc tích cực còn có thể bù công suất phản

kháng tại điểm nối giữa bộ lọc tích cực và lƣới điện. Việc xác định vị trí đặt

bộ lọc cần phải đƣợc tính toán theo một số nguyên tắc sau:

- Giảm thiểu tối đa thời gian truyền, khoảng cách lan truyền của sóng

điều hòa trên đƣờng dây. Điều này thực hiện bằng việc đặt thiết bị lọc gần

nguồn sinh sóng điều hòa bậc cao.

- Đặt thiết bị lọc giữa nguồn với các thiết bị nhạy cảm với sóng điều

hòa để hạn chế ảnh hƣởng của sóng điều hòa tới thiết bị.

- Để thực hiện chức năng này bộ lọc tích cực hoạt động nhƣ một bộ

nguồn ba pha tạo dòng điện thích hợp bơm lên đƣờng dây. Dòng này sẽ bao

gồm hai thành phần:

+ Thành phần triệt tiêu các sóng điều hòa bậc cao sinh bởi tải phi

tuyến: Thành phần ngƣợc pha với tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

+ Thành phần bù công suất phản kháng (CSPK).

Ta có thể phân tích thành phần dòng tải thành hai thành phần:

Thành phần cơ bản iF và thành phần sóng điều hòa ih:

(2.9) iL= iF +ih

Do dòng AFn bơm lên dây:

(2.10) iC= ih

Khi đó dòng trên đƣờng dây sẽ là:

(2.11) iS= iL -ih = iF + ih -ih = iF

Nhƣ vậy, dòng điện trên đƣờng dây chỉ chứa thành phần cơ bản, các

thành phần điều hòa bậc cao đã đƣợc bộ lọc loại bỏ.

Sơ đồ nguyên lý đƣợc thể hiện nhƣ sau:

Hình 2.22: Cấu trúc bộ lọc song song

b. Bộ lọc tích cực nối tiếp

Đặc điểm của mạch lọc tích cực nối tiếp (AFS):

+ Bù sóng điều hòa bậc cao điện áp;

+ Điều chỉnh và cân bằng điện áp tại điểm kết nối.

Chức năng của AFS là triệt tiêu thành phần sóng điều hòa bậc cao sinh

bởi tải phi tuyến để điện áp có dạng sin chuẩn. Ngoài ra, nó còn có chức năng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

điều chỉnh và cân bằng điện áp.

Nguồn cấp

Tải phi tuyến

Bộ lọc tích cực

Hình 2.23: Bộ lọc tích cực nối tiếp

Để thực hiện chức năng này AFS tạo ra sự cách ly về sóng điều hòa bậc

cao giữa tải và lƣới thông qua việc tạo một điện áp tƣơng ứng dọc đƣờng dây

phía thứ cấp máy biến áp.

Ta có thể phân tích điện áp nguồn thành hai thành phần: Thành phần cơ

bản UF và thành phần sóng điều hòa Uh.

US = UF + Uh (2.12)

Điện áp dọc đƣờng dây do AFS tạo ra ngƣợc pha với tổng sóng điều

hòa điện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần này, đảm bảo điện áp có dạng sin.

Us = Uh+UF

Sơ đồ nguyên lý đƣợc thể hiện nhƣ sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý AFS

2.3.2.2. Phân loại theo nguồn cấp

Căn cứ vào nguồn cung cấp cho tải, ngƣời ta chia mạch lọc tích cực

thành các loại:

- Bộ lọc tích cực 2 dây: Dùng cho tải phi tuyến 01 pha.

- Bộ lọc tích cực 3 dây: Dùng cho tải phi tuyến 3 pha không có dây

trung t.ính.

Hình 2.25: Bộ lọc tích cực 3 dây

- Bộ lọc tích cực 4 dây: Có thể dùng cho tải phi tuyến 1 pha cấp nguồn

từ hệ thống nguồn 4 dây hoặc cho tải phi tuyến ba pha. Trong hệ thống này,

Tải phi tuyến

bộ lọc sẽ loại bỏ sự quá dòng ở dây trung tính.

Hình 2.26: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Tải phi tuyến

Hình 2.27: Bộ lọc tích cực 4 dây

Trong loại bộ lọc này có thể chia ra mạch lọc tích cực 4 dây có điểm

giữa (hình 2.26) và mạch lọc tích cực 4 dây (hình 2.27). Cấu trúc mạch lọc

tích cực 4 dây có điểm giữa thƣờng đƣợc sử dụng nhiều hơn do số van bán

dẫn ít hơn, tuy nhiên cấu trúc điều khiển sẽ phức tạp hơn và yêu cầu dung

lƣợng của tụ lớn hơn.

2.3.2.3. Phân loại theo bộ biến đổi công suất

Căn cứ vào bộ biến đổi công suất trong mạch lọc ta có hai loại

mạch lọc tích cực: Cấu trúc VSI (Bộ biến đổi nguồn áp) và CSI (Bộ biến

đổi nguồn dòng).

- Cấu trúc VSI: Có thể mở rộng cấu trúc đa bậc.

Hình 2.28: Cấu trúc VSI

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Cấu trúc CSI: có tần số đóng cắt hạn chế, tổn hao đóng cắt lớn, không

thể mở rộng cấu trúc đa bậc.

Hình 2.29: Cấu trúc CSI

2.3.3. Bộ lọc hỗn hợp

Lọc chủ động AFn

Lọc thụ động

Tải phi tuyến

Sơ đồ nguyên lý: Nguồn điện

Nguồn điện

Tải phi tuyến

Lọc chủ động AFS

Lọc thụ động

Hình 2.30: Cấu trúc bộ lọc hỗn hợp với bộ lọc tích cực có 2 loại:

a) song song và b) nối tiếp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Thực chất là sự kết hợp của bộ lọc chủ động và bộ lọc thụ động. Mục

đích là giảm chi phí đầu tƣ ban đầu và cải thiện hiệu quả của bộ lọc động. Bộ

lọc thụ động sẽ lọc những sóng điều hòa mà bộ lọc chủ động không lọc đƣợc

hoặc lọc một cách khó khăn. Chính vì vậy, thông số chỉ tiêu của bộ lọc động

sẽ không quá cao, qua đó giảm đƣợc chi phí.

Ngoài ra, khi kết hợp AFn và AFS ta đƣợc bộ UPQC (Unified Power

Quality Conditioner). Trong UPQC, AFS có chức năng cách ly sóng điều hòa

giữa tải và nguồn, điều chỉnh điện áp, giảm dao động, giữ điện áp cân bằng.

AFn có chức năng lọc sóng điều hòa bậc cao, triệt tiêu thành phần thứ tự âm.

Tuy nhiên giá thành đặt và chế tạo phức tạp.

Nguồn điện

Tải phi tuyến

AFS AFn

Lọc thụ động

Hình 2.31: Cấu trúc UPQC

2.3.4. Các thiết bị bù công suất phản kháng

Để bù công suất có thể dùng một số thiết bị nhƣ tụ điện tĩnh, máy bù

đồng độ, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích thích, động cơ đồng bộ

hoá đã đƣợc đồng bộ hoá làm việc ở chế độ quá kích thích, các thiết bị bù dựa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

trên các thiết bị điện tử công suất …

2.3.4.1. Tụ điện tĩnh

Khi có điện áp đặt vào tụ có dòng điện chạy qua tụ, dòng này vƣợt

trƣớc điện áp một góc 900 do đó phát ra CSPK. Để đóng cắt tụ điện vào

đƣờng dây ngƣời ta sử dụng các thyristor. Thông qua việc điều chỉnh đóng cắt

các thyristor sẽ điều chỉnh đƣợc dung lƣợng CSPK cần bù.

*. Ưu điểm:

- Vận hành đơn giản, không ồn.

- Do tổn thất công suất tác dụng rơi trên tụ nhỏ, nên có thể đặt ở mọi

cấp điện áp.

*. Nhược điểm:

- Hệ thống chỉ phát ra CSPK chứ không tiêu thụ CSPK nên khi bù thừa

phải cắt tụ ra.

- Không điều chỉnh trơn đƣợc và rất nhạy cảm với điện áp (nếu điện áp

đặt đầu cực tụ vƣợt quá 10% điện áp danh định của tụ thì tụ sẽ nổ).

2.3.4.2. Máy bù đồng bộ

Thực chất là động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích thích.

*. Ưu điểm:

- Không những có khả năng phát CSPK mà còn có khả năng tiêu thụ

CSPK do đó cân bằng CSPK rất tốt.

- Có thể điều chỉnh trơn dung lƣợng bù bằng cách điều chỉnh kích từ.

- Ít nhạy cảm với điện áp.

*. Nhược điểm:

- Quản lý vận hành phức tạp, gây ồn.

- Tổn thất công suất tác dụng lớn (gấp 10 lần của tụ).

Máy bù đồng bộ thƣờng chỉ đƣợc dùng ở những nơi yêu cầu khắt khe

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

về chế độ bù và thƣờng đƣợc dùng ở lƣới trung áp.

Hiện nay ở nhiều nƣớc phát triển trên thế giới sử dụng hệ thống truyền tải

điện linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission) trong đó các thiết bị bù của hệ

thống dựa trên các linh kiện điện tử công suất lớn nhƣ GTO, IGTO…để cung cấp

năng lƣợng khi cần thiết để đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện. Tiếp theo ta

tìm hiểu một số thiết bị bù trong hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS.

2.3.4.3. Một số thiết bị bù trong FACTS [11]

FACTS là tập hợp nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên

nền tảng các phần tử điện công suất lớn. Có thể chia các thiết bị này theo các

đầu nối: nhóm mắc nối tiếp và nhóm mắc song song.

a. Nhóm mắc nối tiếp

Điều khiển CSPK chảy qua điểm kết nối thông qua điều khiển biên độ,

góc pha điện áp nguồn.

+ Bộ bù đồng tĩnh nối tiếp (SSSC: Static Synchronous Series Controllers)

Cấu trúc bao gồm bộ VSC, tụ điện 1 chiều, máy biến áp kết nối. SSSC

nối tiếp vào hệ thống điện. Nó dùng để điều khiển dòng công suất và cải thiện

dao động công suất trên lƣới. Bộ SSSC sẽ bơm một điện áp Us nối tiếp với

đƣờng dây truyền tải tại điểm kết nối:

Us = U1 - U2 = Ud + jUq (2.13)

nguồn I - US + ~

U_con

U2 U1

VSC

Hình 2.32: Cấu trúc SSSC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Vì SSSC không tiêu thụ công suất tác dụng từ nguồn nên Us bơm vào cần

phải vuông góc với dòng điện đƣờng dây. Nhƣ vậy bằng cách thay đổi biên độ

điện áp Uq của điện áp bơm vào đƣờng dây SSSC sẽ phát hay hấp thụ CSPK.

- Khi Uq > 0 SSSC phát CSPK.

- Khi Uq < 0 SSSC tiêu thụ CSPK.

Việc thay đổi điện áp này đƣợc thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp

của máy biến áp. Bộ VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO,

IGBT) để tạo ra điện áp từ nguồn một chiều.

+ Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC: Thyristor

Controlled Series Compensation)

TCSC là thiết bị nối tiếp trong FACTS. TCSC điều khiển điện kháng X

của đƣờng dây thông qua việc dùng thyristor điểu khiển đóng cắt dãy tụ kết

nối vào đƣờng dây.

Chức năng của TSCS: Giảm dao động điện áp, tăng khả năng truyền tải

đƣờng dây bằng cách bù CSPK, hạn chế hiện tƣợng cộng hƣởng tấn số thấp

trong hệ thống điện.

Hình 2.33: Cấu trúc TCSC

b. Nhóm mắc song song

Điều khiển dòng CSPK trên lƣới thông qua việc điều chỉnh điện áp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

phát ra từ thiết bị bù.

+ Bộ bù tĩnh (SVC: Static Var Compensation)

SVC điều chỉnh điện áp ở cực của nó bằng cách điều khiển lƣợng

CSPK bơm vào hay hút ra từ công suất hệ thống. Khi điện áp hệ thống thấp

SVC phát CSPK, khi điện áp cao nó hấp thụ CSPK. Việc thay đổi CSPK thực

hiện bằng việc chuyển mạch các tụ và cuộn kháng nối ở phía thứ cấp máy

biến áp. Việc đóng cắt này đƣợc thực hiện bằng các thyristor.

*. Các phần tử chính của SVC:

Hình 2.34: Cấu trúc SVC

- Tụ đóng mở bằng thyristor (TSC: Thyristor Switched Capacitor).

- Kháng đóng mở bằng thyristor (TSR: Thyristor Switched Reactor).

- Kháng điều chỉnh bằng thyristor (TCR: Thyristor controller Reactor).

*. Ưu điểm:

- Tăng khả năng truyền tải đƣờng dây.

- Điều khiển điện áp tại điểm kết nối.

- Điều khiển dòng công suất phản kháng tại điểm kết nối.

- Giảm dao động công suất tác dụng khi có sự cố nhƣ ngắn mạch, mất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

tải đột ngột.

* Nhược điểm: Cồng kềnh, dải điều chỉnh hạn chế do sử dụng dãy tụ

điện, cảm kháng,

+ Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc song song (Statcom: Static Synchronous

Compensator)

U2 U1 C

SVC

Hình 2.35: Cấu trúc Stacom

Statcom điều chỉnh điện áp ở đầu cực của nó bằng cách điều khiển

lƣợng CSPK bơm vào hay hấp thụ từ hệ thống.

- Khi điện áp thấp Statcom phát CSPK

- Khi điện áp cao Statcom tiêu thụ CSPK

Việc thay đổi CSPK đƣợc thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của

máy biến áp. VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất để điều chế điện áp

xoay chiều ba pha từ nguồn một chiều. Nguồn một chiều này đƣợc lấy từ tụ

điện. Nguyên lý hoạt động của Statcom đƣợc thể hiện nhƣ hình dƣới:

P, Q X

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Statcom

CSTD và CSPK trao đổi giữa hai nguồn U1 và U2

Trong đó:

U1 là điện áp hệ thống cần điều chỉnh.

U2 là điện áp phát ra từ Statcom.

Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát ra bởi statcom U2 là cùng

pha với U1 để chỉ truyền CSPK. Nếu U2 < U1 thì Q chảy từ U1 đến U2 (Statcom hấp thụ CSPK). Ngƣợc lại nếu U1 < U2 thì Q chảy từ U2 đến U1

(Statcom phát CSPK).

2.3.5. Nguyên lý làm việc của thiết bị bù tích cực

Sơ đồ nguyên lý trao đổi CSPK và CSTD giữa bộ bù và lƣới thể hiện

trên hình 2.37:

jβ P Q U

Ui I

θi

~ 0 α U

Hình 2.37: Nguyên lý bù của bộ bù tích cực

Trong đó: Us và s: Điện áp lƣới và góc lệch pha lƣới.

Ui và i: Điện áp và góc lệch pha phát ra từ bộ bù.

XL: Điện kháng kết nối giữa lƣới và bộ bù. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

: Góc lệch pha giữa điện áp lƣới và điện áp bộ bù.

Ta có CSTD và CSPK trao đổi giữa lƣới và bộ bù đƣợc xác định theo

biểu thức:

(2.14)

Trong đó chế độ hoạt động chỉ bù CSPK thì  = 0, do đó ta có:

(2.15)

Từ (2.15) ta thấy Qs tỉ lệ với hai điện áp (US - Ui).

*. Khi US = Ui thì QS = 0 bộ bù không phát hay thu CSPK.

*. Khi US > Ui thì QS > 0 tồn tại thành phần điện áp USi tƣơng ứng dòng cảm kháng Id chậm sau US, Ui một góc 900, lƣới sẽ truyền CSPK

jβ

USi

vào bộ bù.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.38: Trạng thái hấp thụ công suất của bộ bù

*. Khi US < Ui thì QS <0 tồn tại thành phần điện áp USi tƣơng ứng dòng

điện Ic vƣợt trƣớc US, Ui một góc 900 bộ bù phát CSPK lên lƣới điện.

jβ

I θ

0 α USi

Hình 2.39: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù

Từ phân tích trên ta thấy rằng khi thay đổi biên độ điện áp đầu ra của

bộ bù trong khi giữ góc lệch  = 0 ta có thể điều khiển đóng CSPK trao đổi

giữa lƣới và bộ bù.

2.4. Kết luận chƣơng 2

Chƣơng 2 đã giải quyết đƣợc một số vấn đề sau:

- Nghiên cứu tìm hiểu đƣợc nguyên nhân gây ra sóng điều hoà bậc cao

trên lƣới điện.

- Đánh giá đƣợc tác động của sóng điều hoà bậc cao đến chất lƣợng của

hệ thống điện.

- Để cải thiện chất lƣợng điện năng thì cần phải lọc các thành phần

dòng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng.

- Nghiên cứu các phƣơng pháp bù công suất phản kháng lên lƣới nhằm nâng

cao hệ số công suất và đánh giá đƣợc ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp đó.

- Từ những đánh giá đó cho thấy phƣơng pháp lọc tích cực có những ƣu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

điểm nổi trội, đó là vừa có tính năng lọc sóng điều hoà bậc cao vừa bù đƣợc

công suất phản kháng lên lƣới. Đây chính là phƣơng pháp mà tác giả lựa chọn để

thiết kế bộ lọc tích cực cho tải phi tuyến trong lƣới điện phân phối trung áp.

Chƣơng 3

THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN

3.1. Đặt vấn đề

Nguyên lý chung để lọc sóng điều hòa là thiết bị lọc sẽ tạo ra dòng bù

bằng tổng dòng sóng điều hòa bậc cao nhƣng ngƣợc pha theo đó sẽ triệt tiêu

sóng điều hòa bậc cao trên dòng phía nguồn. Cũng tƣơng tự nhƣ vậy, khi kết

hợp với chức năng bù công suất phản kháng thì qua việc tính toán công suất

phản kháng mà tải tiêu thụ, mạch lọc sẽ tạo ra dòng bù cần thiết để đảm bảo

cung cấp công suất phản kháng mà đáng lẽ nguồn cần cấp cho tải.

Nhƣ vậy, vấn đề cơ bản là phải xác định đƣợc dòng bù đƣợc tạo ra bởi

bộ lọc để loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng.

Trong thực tế có nhiều phƣơng pháp để xác định dòng bù này. Qua phân tích

ở chƣơng 1, phƣơng án đƣợc chọn trong luận văn để loại bỏ các sóng điều hòa

bậc cao và bù công suất phản kháng cho lƣới, là xây dựng bộ lọc tích cực

song song dựa trên lý thuyết p-q. Đảm bảo dao động điện áp < 1%, độ méo

dạng < 3% và cosφ > 0.85.

Nội dung trình bày trong chƣơng này sẽ giải quyết các vấn đề sau:

- Xây dựng thuật toán thiết kế bộ lọc tích cực.

- Xây dựng mô hình tải phi tuyến.

- Xây dựng cấu trúc bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

3.2. Lý thuyết về phƣơng pháp lọc tích cực

Việc lựa chọn phƣơng pháp lọc tích phù hợp là rất quan trọng đối với

bài toán lọc và bù công suất phản kháng. Hiện nay, các hƣớng nghiên cứu

thƣờng dựa trên các phƣơng pháp sau đây:

3.2.1. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền tần số

Xây dựng bộ lọc tích cực dựa trên miền tần số chủ yếu dựa vào việc

phân tích chuỗi Fourier. Tách thành phần sóng cơ bản. Sau đó tính dòng bù

cho các thành phần sóng còn lại.

3.2.1.1. Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform)

Thuật toán của phƣơng pháp này là biến đổi cho các tín hiệu rời rạc, kết

quả của phép phân tích đƣa ra cả biên độ và pha của thành phần sóng điều hoà

mong muốn theo công thức sau:

(3.1)

Ta có thể viết dƣới dạng sau:

(3.2)

Trong đó:

N là số mẫu trong một chu kỳ tần số cơ bản.

x(n) là tín hiệu đầu vào (dòng hoặc áp) ở thời điểm n.

Xh là vectơ Fourier của sóng điều hoà bậc h của tín hiệu vào.

| ̅̅̅| là biên độ của vectơ ; φh là góc pha của vectơ Xh.

Xhr là phần thực của Xh; Xhi là phần ảo của Xh.

3.2.1.2. Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Các bƣớc thực hiện phƣơng pháp FFT:

- Lấy mẫu dòng điện tải và tính toán biên độ và pha của từng thành

phần sóng điều hoà (ứng với mỗi tần số khác nhau) hình 3.1.

- Số lƣợng mấu trong một chu kỳ càng lớn thì giá trị fmax càng lớn.

- Tách thành phần dòng cơ bản từ dòng đầu vào. Dễ dàng thực hiện việc này bằng cách thiết lập tần số từ 0 đến 50Hz sau đó thực hiện FFT-1

(IFFT) để có tín hiệu trong miền thời gian bao gồm biên độ và pha của mỗi

thành phần sóng điều hoà. Việc tính toán này thực hiện trong mỗi chu kỳ của

dòng chính để đảm bảo rằng FFT tính toán hoàn tất trong một chu kỳ để tránh

méo do phổ tần số.

Hình 3.1: Phương pháp FFT

- Tổng hợp dòng bù từ các thành phần sóng điều hoà.

Ƣu điểm của phƣơng pháp FFT là có thể tác động tới từng thành phần

sóng điều hoà theo ý muốn nhƣng có khối lƣợng tính toán lớn nhất.

3.2.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian

Phƣơng pháp này có ƣu điểm hơn phƣơng pháp trên miền thời gian là

khối lƣợng tính toán ít hơn so với trên miền tần số. Theo lớp phƣơng pháp

này có một số phƣơng pháp nhƣ phƣơng pháp trên khung toạ độ dq, phƣơng

pháp dựa trên thuyết p-q…

3.2.2.1. Phương pháp xác định dòng bù trong hệ dq

Theo phƣơng pháp này có thể xác định toàn bộ dòng bù hoặc có thể lựa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

chọn từng thành phần sóng điều hoà cần bù.

- Phƣơng pháp xác định toàn bộ dòng bù: Phƣơng pháp này dựa trên

khung toạ độ dq để tách thành phần sóng điều hoà bậc cao ra khỏi thành phần

sóng cơ bản. Thuật toán thể hiện phƣơng pháp:

- Phép quay khung toạ độ dq quay với góc quay của tần số cơ bản. Khi

đó trong khung toạ độ dq thành phần dòng với tần số cơ bản coi nhƣ thành

phần dòng một chiều và thành phần sóng điều hoà nhƣ thành phần dòng xoay

chiều. Sau đó sử dụng bộ lọc thông cao tách ra thành phần xoay chiều, thành

phần này chính là thành phần của các sóng điều hoà bậc cao.

Hình 3.2: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq

Sau khi tính đƣợc dòng bù cần thiết trong hệ dq ta cần chuyển sang hệ

toạ độ chuẩn abc. Biến đổi từ hệ dq sang hệ abc nhƣ sau:

(3.3)

Phƣơng pháp xác định từng thành phần sóng điều hoà cần bù: phƣơng

pháp này dựa trên cơ sở phép quay khung tạo độ.

Điểm khác biệt so với phƣơng pháp trên là từ dòng cần tách ra sóng

điều hoà sẽ chuyển sang khung toạ độ dq với góc quay bằng bội số lần của

góc quay thành phần cơ bản, khi đó trong khung tọa độ mới dq thành phần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

một chiều tƣơng ứng với thành phần sóng điều hòa cần tách và bằng cách

sử dụng bộ lọc thông thấp ta có thể tách ra đƣợc thành phần một chiều này.

Sau đó chuyển sang khung tọa độ abc, sẽ xác định đƣợc thành phần sóng

điều hòa tƣơng ứng.

Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể tác động tới từng thành phần

sóng điều hòa bậc cao muốn lọc. Hình 3.3 thể hiện thuật toán của phƣơng

pháp này.

Hình 3.3: Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ dq

3.2.2.2. Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết pq

Theo [9],[12] các bƣớc để xác định dòng bù cần thiết theo phƣơng pháp

này đƣợc tiến hành nhƣ sau:

- Tính toán dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ αβ từ hệ tọa độ abc.

+ Với hệ thống 3 pha có dây trung tính.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Công thức quy đổi điện áp đƣợc xác định theo (3.4):

Hình 3.4: Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết pq.

(3.4)

Mặt khác công thức quy đổi dòng điện, đƣợc xác định theo (2.13):

(3.5)

+ Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính:

Công thức quy đổi điện áp:

(3.6)

Công thức quy đổi dòng điện:

(3.7)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Công suất tải đƣợc tính theo công thức:

(3.8)

- Công suất p, q có thể tách đƣợc ra thành 2 thành phần:

+ Thành phần một chiều , tƣơng ứng với thành phần cơ bản của

dòng tải.

+ Thành phần điều hòa bậc cao :

(3.9)

Khi đó, tổng công suất tức thời xác định bởi tải:

(3.10)

Trong đó:

p: thành phần công suất tác dụng của

q: thành phần công suất phản kháng của

Nguồn chỉ cung cấp thành phần công suất một chiều của tải và công

suất tổn hao của bộ nghịch lƣu.

Bộ lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất xoay chiều

̃ của p và công suất phản kháng q.

Khi đó ta có công suất cung cấp bởi bộ lọc:

(3.11)

và dòng cần bù:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(3.12)

Tuy nhiên do điện áp trên tụ là không ổn định, do đó để đảm bảo điện

áp trên tụ không đổi thì nguồn cần cung cấp một công suất p0 để duy trì điện

áp trên tụ không đổi. Bởi vậy, công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ αβ

khi kết hợp cả chức năng lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng:

(3.13)

Từ công thức này, ta tính đƣợc dòng bù trong hệ tọa độ abc:

(3.14)

Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể lọc triệt để sóng hài và bù

đƣợc công suất phản kháng, khối lƣợng tính toán ít do thuật toán đơn giản, số

lƣợng cảm biến đo ít, loại bỏ đƣợc sự dao động của điện áp tụ C.

Tuy nhiên, phƣơng pháp này có hạn chế là điện áp tính toán yêu cầu

phải sin và cân bằng. Giải pháp để khắc phục hiện tƣợng điện áp lƣới không

sin hoặc mất cân bằng có hai cách:

Cách thứ nhất: Sử dụng mạch khóa pha (PLL- Phase locked loop) để

xách định thành phần cơ bản tại điểm kết nối.

Cách thứ hai: Lọc bỏ thành phần sóng điều hòa trong điện lƣới trƣớc

khi đƣa vào tính toán.

3.3. Mô hình bể điện phân

Trong thực tế nguồn tạo sóng hài chủ yếu do hiện tƣợng bão hòa của

các máy biến áp, sự biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa rôto và

stato của máy điện quay, và các phần tử phi tuyến của các bộ biến đổi… Ở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

đây ta xét tải phi tuyến là bể điện phân. Để quá trình điện phân đạt chất lƣợng

tốt thì một trong những điều kiện quan trọng nhất đó là nguồn cấp cho bể điện

phân phải đảm bảo các tiêu chuẩn đặt ra.

Nguồn cấp cho bể điện phân phải là nguồn một chiều với yêu cầu điện

áp nhỏ và dòng điện lớn. Nguồn một chiều có thể là acquy, máy phát điện một

chiều, bộ biến đổi…Ngày nay, do sự phát triển của công nghiệp bán dẫn đã

chế tạo đƣợc các van bán dẫn chịu đƣợc dòng và áp cao do đó nguồn một

chiều sử dụng bộ biến đổi ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công

nghiệp. Bộ biến đổi cho quá trình điện phân có điện áp ra thấp 6(V), 12(V),

24(V), 36(V)…Tùy theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra phù hợp.

Trong phần này ta sẽ khảo sát đối với hệ thống bể điện phân của công

ty nhôm Sông Hồng. Hệ thống bể điện phân của công ty gồm 5 bể với yêu cầu

cho mỗi bể điện phân là điện áp cấp cho bể điện phân là 24(V), dòng là

10.000(A) và trong quá trình điện phân dòng điện đƣợc giữ không đổi.

MBA

AT5 AT1 AT2

.............. Bể mạ 1 Bể mạ 2 Bể mạ 5

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống bể mạ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Để thực hiện bù cho hệ thống 5 bể mạ có hai giải pháp có thể áp dụng:

*. Giải pháp thứ nhất là sử dụng bộ bù tổng cho 5 bể mạ

Theo phƣơng pháp này các bộ AFn sẽ đƣợc nối tới cáp truyền thông

tới bộ đo và điều khiển trung tâm. Bộ này tính toán lƣợng bù tổng từ đó

phân phối tới từng bộ lọc của bể mạ tƣơng ứng tùy theo chế độ hoạt động

của bể mạ. Khi một bể mạ không làm việc thì bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho

bộ lọc của bể mạ đó không làm việc. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là tiết

kiệm chi phí, tuy nhiên vấn đề điều khiển lƣợng bù thích hợp tới từng bể

điện phân rất phức tạp.

MBA

AT Bộ đo và điều khiển tổng

AT5 AT1 AT2

.............. AF AF AF

.............. Bể mạ 1 Bể mạ 2 Bể mạ 5

Hình 3.6: Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng

*. Giải pháp thứ hai là bù sát nút phụ tải nghĩa là từng bể mạ sẽ có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

một bộ lọc riêng

Theo phƣơng án này thì mỗi bể mạ sẽ sử dụng một bộ lọc và các bộ lọc

này hoạt động riêng rẽ mà không liên quan tới nhau. Phƣơng án này có ƣu

điểm là có thể mở rộng ra cho nhiều phụ tải, điều khiển đơn giản hơn so với

giải pháp bù tổng tuy nhiên chi phí sẽ tăng.

Trong khuôn khổ của luận văn sẽ đi nghiên cứu theo giải pháp bù sát nút

phụ tải. Do các bể điện phân là giống nhau nên theo giải pháp này ta chỉ cần xét

đối với một bể mạ từ đó có thể mở rộng ra cho các bể mạ còn lại hoặc có thể

thêm ứng dụng khi mở rộng số bể mạ thì khi đó chỉ cần đƣa thêm bộ lọc khác.

MBA

AT5 AT1 AT2

.............. AF AF AF

Bể mạ .............. Bể mạ 2 Bể mạ 1 5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.7: Giải pháp bù sát nút phụ tải

Hình 3.8: Mô hình bể mạ

E(V)

Trong đó: R= 2.10-4 ( )

0 2 t(s)

Hình 3.9: Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ

Trong thực tế thì quá trình tăng sức điện động E thƣờng kéo dài khoảng

5 đến 10 phút tuy nhiên khi đó khối lƣợng tính toán của máy tính sẽ lớn. Do

ta chỉ cần định hình sự biến thiên sức điện động trên tải để đánh giá sự biến

thiên của dòng điều hòa bậc cao khi sức điện động thay đổi và để giảm bớt

khối lƣợng tính toán trong mô phỏng ta giả sử quá trình này chỉ kéo dài trong

2(s) sau đó sức điện động ổn định.

3.4. Cấu trúc của bộ lọc tích cực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Cấu trúc chung của bộ lọc sẽ gồm mạch điều khiển và mạch lực:

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch lực sử dụng bộ lọc tích cực

- Mạch điều khiển sẽ có chức năng tính toán dòng bù (Ic) và bù theo lý

thuyết p-q.

Nguồn 3 pha

Tải phi tuyến

Bộ lọc tích cực

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc

- Bộ lọc tích cực đƣợc xây dựng có cấu trúc mạch lực gồm có bộ biến

đổi nguồn áp và tụ điện.

L R A

B C

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.12: Sơ đồ mạch lực của bộ lọc

L R

u1 ubđ

~

Hình 3.13: Sơ đồ thay thế mạch lực của bộ lọc

Trong đó:

L, R là điện cảm, điện trở của đƣờng dây.

uS là điện áp nguồn.

ubđ là điện áp của bộ biến đổi.

u1 là điện áp trên cuộn cảm.

Điện cảm L nối giữa lƣới và chỉnh lƣu PWM là một phần không thể

thiếu đƣợc của bộ lọc. Nó đóng vai trò nhƣ thành phần tích phân của hệ và là

một nguồn để tạo đặc tính nâng của bộ biến đổi.

Điện áp u1 chính là hiệu giữa điện áp nguồn và điện áp của bộ biến đổi.

Vì điện áp nguồn không đổi, nên việc điều khiển điện áp trên cuộn cảm đƣợc

điều khiển thông qua điện áp trên bộ biến đổi.

Với tải phi tuyến đã lựa chọn ở trên và nguồn cung cấp 3 pha cho tải có Uf

= 200V và f = 50Hz. Ta tiến hành chọn mạch lực có các thông số nhƣ sau [1, 5]:

*. Tính chọn điện áp một chiều:

Giá trị cực tiểu của điện áp một chiều:

(3.15) Udcmin > Ud0 = 2,45Ufa

Ufa = 220V

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Thông thƣờng chọn điện áp một chiều có giá trị:

(3.16) Udc = (1,2  1,3) Ud0

Từ hai công thức trên ta chọn điện áp một chiều:

Udc = 700 V

*. Chọn tụ điện 1 chiều:

Giá trị tụ điện C đƣợc tính toán sao cho đảm bảo tạo đƣợc điện áp cấp

cho mạch nghịch lƣu là 700V.

Công thức tính toán C [14]:

hoặc: (3.17)

Trong đó:

là công suất biểu kiến của bộ lọc

Udc là giá trị điện áp một chiều cấp cho mạch nghịch lƣu

biến thiên điện áp trên tụ (lấy khoảng 5% nên =35V)

Mô phỏng tải trên phần mềm Matlab/Simulink, ta thấy chỉ có các thành

phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11, 17, 19 chiếm tỉ lệ chủ yếu, giá trị của các

thành phần điều hòa đƣợc tính:

Dựa vào (3.17), ta có thể tính toán và lựa chọn C có:

C = 15000 μF.

*. Chọn cuộn cảm:

Cuộn cảm có tác dụng nhƣ một kho từ, khi có dòng điện chạy qua nó sẽ

tích trữ một năng lƣợng từ trƣờng. Khi trị số điện cảm lớn, năng lƣợng từ

trƣờng này càng lớn và nó sẽ làm cho sự thay đổi dòng điện chậm lại và

không bám theo đƣợc sự thay đổi của dòng bù. Ngƣợc lại, khi trị số điện cảm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

của cuộn dây quá nhỏ sẽ làm cho sự biến thiên của dòng điện nhanh, kết quả

làm cho tần số chuyển mạch của bộ biến đổi tăng, gây ra tổn thất trên các van

tăng. Do đó giá trị điện cảm của cuộn dây đƣợc chọn thích hợp sao cho tần số

đóng cắt của các van bán dẫn không quá cao để giảm đƣợc tổn thất.

(3.18)

Trong đó: max(di/dt)= A.2. f (3.19)

A: là biên độ đỉnh của thành phần sóng hài lớn nhất. Qua phân tích mô

phỏng ta xác định thành phần bậc 5 là lớn nhất và suy ra tính đƣợc:

max(di/dt) = 368116,12

Thay số vào biểu thức 3.19 ta đƣợc:

Lmax = 10-4 H

Chọn điện cảm có giá trị L = 0.05 mH.

*. Tính chọn van công suất:

Do van có tần số đóng cắt cao nên ta chọn loại IGBT. Việc lựa chọn van

là sự kết hợp của nhiều yếu tố nhƣ dòng điện cực đại qua van, điện áp ngƣợc cực

đại lên van, tần số đóng cắt, tổn thất do đóng ngắt, điều kiện làm mát…

Việc tính toán lựa chọn van rất phức tạp đòi hỏi kết hợp nhiều yếu tố.

Trong khuôn khổ luận văn, ta chọn sơ bộ van theo dòng điện cực đại qua van.

Từ Sn là công suất biểu kiến của bộ lọc, đƣợc tính theo công thức (3.17):

Sn = 117 KVA

mặt khác:

√

(3.20) √

Nên ta tính đƣợc: IFmax = 192 A

Nhƣ vậy, sơ bộ ta chọn van IGBT có trị số dòng:

I = 10*= IFmax = 1920 A

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Chọn I = 2000 A.

3.4.1. Cấu trúc điều khiển

Các thông số cần đo trong mạch là điện áp nguồn (u ,u ,u ), dòng

,i ,i ) và điện áp trên tụ của bộ lọc. điện nguồn (isa, isb, isc), dòng điện tải (i

Các giá trị đo đƣợc sẽ đƣợc chuyển sang hệ tọa độ . Sau đó nó đƣợc

tính toán theo lý thuyết p-q để tạo ra dòng điện bù. Dòng điện bù ngƣợc với

dòng tải để khử các thành phần sóng hài và bù công suất phản kháng trong dòng

tải. Việc tính dòng bù theo lý thuyết p-q đƣợc thực hiện qua lƣu đồ hình 3.13.

Công suất p, q có thể tách thành hai thành phần:

+ Công suất tác dụng: .

Trong đó:

- Thành phần DC ̅, ̅ tƣơng ứng với thành phần cơ bản của dòng

điện tải.

- Thành phần dao động AC ̃ ̃ tƣơng ứng với thành phần điều hòa

bậc cao.

Mạch lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất AC ̃

của p và q. Tuy nhiên do điện áp trên tụ là không ổn định do đó để đảm bảo

điện áp trên tụ là không đổi thì nguồn cần cung cấp một công suất po để duy

Đo dòng điện tải, điện áp nguồn, dòng điện nguồn, điện áp tụ

trì điện áp trên tụ không đổi.

Chuyển đổi trục tạo độ abc𝛼𝛽

Tính công suất p và q

Lọc thành phần p cơ bản

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Tính toán dòng bù

Chuyển đổi trục tọa độ 𝛼𝛽  abc

Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q

Từ đó ta có dòng bù cung cấp của mạch lọc sẽ là:

(3.21)

Từ dòng bù tính đƣợc trong hệ tọa độ  ta tính đƣợc dòng điện cần bù

trong hệ abc.

(3.22)

Đây chính là dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng

lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng.

3.4.2. Khâu tạo xung SVM (Space vector modulation method) [1]

Bộ điều chế không gian vectơ SVM thực hiện các công việc sau:

*. Xác định góc lệch pha giữa 2 giá trị đầu vào U và U .

*. Xác định biên độ của điện áp chuẩn .

*. Xác định sectơ mà vectơ điện áp chuẩn nằm trong đó.

*. Xác định thời gian thực hiên các vectơ biên t và t .

Từ giá trị thời gian mở van đem so sánh với xung răng cƣa để đƣợc tín

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

hiệu đóng mở các van.

Tín hiệu đóng mở sẽ qua bộ phân kênh để cấp vào cực điều khiển của 6

IGBT T1 đến T6 trong mạch lực.

Hình 3.15: Thực hiện véc tơ us bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn

Giả sử ta phải thực hiện vector us bất kỳ nhƣ trong hình. vector đó có

thể nằm trong góc phần sáu bất kỳ nào đó. Giả sử us n ằm ở S1, us có thể đƣợc

tách thành tổng của hai vector con up, us tựa theo hƣớng của hai vector chuẩn

u1, u2. Các ký hiệu nhỏ bên phải đƣợc chỉ dẫn nhƣ sau:

p: vector bên phải.

t: vector bên trái.

Ta biết rằng điện áp sẽ đƣợc tính đổi thành thừi gian đóng ngắt van

trong phạm vi một chu kỳ xung nào đó. Giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ

có ích, đƣợc phép dùng để thực hiện vector, khi đó modul tối đa cũng không

thể vƣợt quá 2UMC/3. Do vậy ta có công thức sau:

(3.23)

Nếu thời gian tối đa (ví dụ chu kỳ trích mẫu) là T, ta có thể rút ra đƣợc

các nhận xét:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

+ us là tổng vector của hai vector biên up,ut : us= up + ut

+ Hai vector biên có thể thực hiện bằng cách thực hiện u1(cho up) và u2

(cho ut) trong hai khoảng thời gian sau:

, (3.24)

Để tính đƣợc Tp, Tt ta phải biết modul của các vector biên phải up và

biên trái ut.

Trong khoảng thời gian T - (Tp + Tt) còn lại bộ biến đổi thực hiện một

trong hai vector có modul bằng không uo hoặc u7. Bằng cách đó trên thực tế ta

đã thực hiện phép cộng vector sau đây:

(3.25) us = up+ ut + u0 (u7) =

Nếu trạng thái cuối cùng là u0, trình tự thực hiện sẽ là:

u1  u2 u7

Ngƣợc lại nếu trạng thái cuối cùng là u7, trình tự thực hiện sẽ là:

u2  u1 u0

Hình 3.16: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S1

Trong tất cả các góc phần sáu còn lại S2…S0, cách thực hiện là giống hệt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

S1. Khái quát biểu đồ xung của các vector đó:

Hình 3.17: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S2

Hình 3.18: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S3

Hình 3.19: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.20: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S5

Hình 3.21: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S6

*. Thuật toán điều chế vector không gian

Khi thực hiện kỹ thuật nguyên lý ĐCVTKG ta phải trả lời hai câu hỏi

khi điều khiển các van bán dẫn: các van đó cần phải thực hiện chuyển mạch

nhƣ thế nào và trạng thái mạch đó tồn tại trong thời gian bao lâu? nếu nhƣ

modul và góc pha cho trƣớc. Việc chuyển mạch của các van ta đã bàn đến ở

phần trên dựa vào các công thức hoàn toàn phụ thuộc vào thông tin về modul

của các vector up,ut.

Phƣơng pháp xác định các vector biên phải, biên trái đƣợc tính trực

tiếp từ us theo công thức sau:

(3.26)

Bảng 3.1: Modul vector biên trái, biên phải bằng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

các thành phần điện áp us, us

S1 Q1

S3 Q3

S4 Q4

S6 Q4

Nhƣ vậy, ta có các công thức tổng quát sau:

a = ; b = ; c = (3.27)

Bằng việc xét dấu của us, us ta sẽ biết us nằm ở góc phần tƣ thứ mấy.

Biểu thức b sẽ đổi dấu khi us đi qua giữa 2 góc phần 6 bất kỳ.

Thuật toán cho trong bảng 3.2 nhƣ sau:

Bảng 3.2: Thuật toán điều chế vector không gian

Nhập số liệu us và us

Tính a, b, c theo công thức (2-31)

us <0?

Sai Đúng

us <0 ? us <0?

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Sai Đúng Đúng Sai

Q1 Q2 Q3 Q4

 < 0 ?  < 0 ?  < 0 ?  < 0?

Sai Đúng Đúng Sai Sai Đúng Đúng Sai

S1 S2/Q1 S2/Q2 S3 S4 S5/Q3 S5/Q4 S6

Tính thời gian đóng ngắt van

Xuất số liệu về thời gian đóng ngắt van IGBT

Trong đó us,us là 2 thành phần điện áp đã đƣợc chuẩn hoá theo công

thức (3.28):

và (3.28)

*. Ưu điểm của phương pháp điều chế vector không gian

- Khả năng điều khiển linh hoạt với sự chọn lựa các trạng thái

redundant switching states để đạt đƣợc các chỉ tiêu chất lƣợng nhƣ:

+ Giảm độ mất cân bằng áp tụ của bộ biến đổi,

+ Giảm điện áp Common mode voltage vv...

- Khả năng mở rộng điều khiển tuyến tính tới biên độ áp hài cơ bản.

Các phƣơng pháp sóng mang khó có thể đƣa ra một giải pháp toàn

diện. Trong khi đó, với phƣơng pháp vector không gian, các trạng thái đóng

ngắt có liên quan đến sự nạp xả của tụ,việc lựa chọn các trạng thái đóng ngắt

hợp lý sẽ giải quyết đƣợc vấn đề này.

3.5. Kết luận chƣơng 3

Chƣơng 3 đã giải quyết đƣợc các vấn đề sau:

- Đã đƣa ra đƣợc thuật toán thiết kế bộ lọc tích cực.

- Đề xuất mô hình tải phi tuyến tiêu thụ điện trong hệ thống lƣới điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

phân phối.

- Đƣa ra đƣợc cấu trúc điều khiển với phƣơng pháp điều chế véc tơ

không gian trong hệ thống lƣới điện phân phối sử dụng bộ lọc tích cực có bù

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

công suất phản kháng.

Chƣơng 4

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG

4.1. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [4]

Trong mục này, ta sẽ thiết lập mô hình mô phỏng hệ thống mạch lọc

tích cực song song sử dùng phần mềm Matlab, chức năng simulink. Ta thiết

lập mô hình mô phỏng gồm các phần chính sau:

4.1.1. Nguồn xoay chiều 3 pha

Nguồn xoay chiều 3 pha có giá trị hiệu dụng pha Up =220V, tần số

50Hz, giá trị góc pha của các pha a,b,c lệch nhau 1200.

Hình 4.1: Khối nguồn ba pha

4.1.2. Khối mạch lực

Hình 4.2: Khối mạch lực của bể mạ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Khối điều áp xoay chiều: khối này để điều chỉnh điện áp phía xoay

chiều từ đó điều chỉnh dòng tải.

Hình 4.3: Khối điều áp xoay chiều 3 pha

- Máy biến áp: trong sơ đồ này sử dụng máy biến áp 3 pha loại do

đó sẽ loại bỏ đƣợc thành phần dòng điều hòa bậc 3 do tải phi tuyến gây nên.

- Bộ chỉnh lƣu: sử dụng chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển. Khâu này

chuyển từ nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều để cung cấp cho bể mạ.

Hình 4.4: Khối chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Đi ốt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Tải bể mạ (hình 3.8).

4.1.3. Khối điều khiển dòng

Hình 4.5: Khối điều chỉnh dòng điện tải

Khối này ổn định dòng điện ở tải bằng cách dùng một bộ điều chỉnh.

Bộ điều chỉnh sử dụng ở đây là bộ PI. Tín hiệu vào của khâu PI là sai lệch của

hai tín hiệu: tín hiệu dòng đặt (dòng mong muốn ở tải) và tín hiệu dòng thực

đo trên tải. Để cho tín hiệu đặt dòng điện không biến thiên đột biến ở đầu vào

dòng đặt ta cho thêm một khâu Ramp để dòng tăng từ từ.

Tham số này đƣợc lấy từ thông số thực tế của bộ điều khiển dòng điện

mạ. Đầu ra của bộ điều chỉnh dòng là tín hiệu đƣợc đƣa vào khâu phát xung của

bộ điều áp xoay chiều ba pha để thay đổi điện áp từ đó ổn định dòng phía tải.

4.1.4. Bộ lọc tích cực

Bộ biến đổi:

Hình 4.6: Bộ biến đổi và tham số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Mạch điều khiển:

Hình 4.7: Mạch điều khiển của bộ lọc

Khâu chuyển toạ độ

Từ abc-> αβ đƣợc dựa trên các công thức (3.6) và (3.7).

Ngõ vào của khâu chuyển toạ độ là các tín hiệu trong hệ toạ độ abc:

- U[1]= ia hay ua

- U[2]= ib hay ub

- U[3]= ic hay uc

Ngõ ra của khâu chuyển toạ độ là các tín hiệu trong hệ toạ độ αβ:

- Y[1]=Xalpha = iα hay uα

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Y[1]=Xbeta = iβ hay uβ

Hình 4.8: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ

Khâu tính toán công suất pq:

Khâu tính toán công suất pq cho phép xác định công suất p, q của tải

trong hệ tọa độ αβ dựa trên công thức (3.8).

Ngõ vào của khâu tính toán công suất là các tín hiệu dòng điện và điện

áp đã đƣợc xác định trong hệ toạ độ αβ ở phần trên.

U[2]= Valpha = vα;

U[3]= Vbeta = vβ; U[5]= Ialpha = iα; U[6]= Ibeta = iβ.

Hình 4.9: Khâu tính công suất pq

Khâu tính p0:

Ngoài ra để ổn định điện áp trên tụ nguồn cần cung cấp một công suất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

p0 đƣợc tính toán thông qua dòng và áp trên tụ theo công thức sau:

Hình 4.10: Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ

Khâu tính pq:

Trong khối này sử dụng mạch lọc thông thấp. Chức năng của nó là lọc

bỏ thành phần xoay chiều, chỉ giữ lại thành phần một chiều.

Hình 4.11: Khối tính toán công suất bù

Khâu tính toán dòng bù pq:

Các dòng điện yêu cầu icα, icβ đƣợc xác định từ công thức (3.13) với

các ngõ vào là các đại lƣợng điện áp trong hệ toạ độ αβ và các đại lƣợng

công suất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 4.12: Khâu tính toán dòng bù pq

Ngõ vào của khâu tính toán dòng yêu cầu là các đại lƣợng sau:

- u[1]= Valpha = vα

- u[2]= Vbeta = vβ

- u[3]= -pAC

- u[4]= -q

Ngõ ra của khâu tính toán dòng yêu cầu là các đại lƣợng :

- Y[1]= Ic alpha * (tƣơng ứng icα)

- Y[2]= Ic beta* (tƣơng ứng icβ)

Khâu tính chuyển toạ độ αβ sang abc:

Hình 4.13: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc

Dòng điện yêu cầu trong hệ toạ độ abc đƣợc xác định từ dòng điện yêu

cầu icα, icβ trong hệ toạ độ αβ. Từ công thức (3.21)

Ngõ vào của khâu tính toán dòng yêu cầu trong abc là các đại

lƣợng sau:

- u[2]= Icα * ; u[3]= Icβ*

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Ngõ ra của khâu tính toán dòng yêu cầu là các đại lƣợng:

- Y[1]= Ica * ; Y[2]= Icb * ; Y[3]= Icc *

4.1.5. Khâu tính toán độ méo dạng (THD)

Hình 4.14: Khâu tính toán độ méo dạng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

4.1.6. Khâu lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha

Hình 4.15: Khâu lấy tín hiệu

4.1.7. Khâu đo dòng điện, điện áp

Hình 4.16: Khâu đo dòng điện, điện áp

4.2. Sơ đồ và kết quả mô phỏng

Trong thiết kế các hệ điều khiển, phƣơng pháp mô phỏng có vai trò rất

quan trọng. Nhờ có phƣơng pháp này mà ngƣời thiết kế có thể mô phỏng và

quan sát đƣợc hoạt động của hệ thống nhƣ tính ổn định, bền vững...

Mô phỏng cũng là công cụ giúp chúng ta có đƣợc những hình ảnh trực

quan về đối tƣợng đang nghiên cứu, từ đó có đánh giá tính đúng đắn của lý

thuyết và mô hình đang xây dựng. Đặc biệt đối với những vấn đề mới xây

dựng, cần kiểm tra hoạt động trƣớc khi đƣa vào ứng dụng hay những đối

tƣợng nghiên cứu mà ta không có điều kiện kiểm nghiệm trong thực tế.

Nhƣ vậy mô phỏng là bƣớc tiếp theo việc xây dựng luật điều khiển

trong quá trình thiết kế, chế tạo. Chỉ khi nào kết quả mô phỏng đạt chỉ tiêu

chất lƣợng đề ra thì mới tiến hành thử nghiệm trên các mô hình thực nghiệm

hay chế tạo thử. Do vậy việc mô phỏng có tác dụng hạn chế những tổn thất có

thể xảy trong thử nghiệm do các sai sót trong thiết kế.

Ở trên ta đã xây dựng đƣợc bộ lọc tích cực dựa trên lý thuyết p-q thực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

hiện trên phầm mềm Matlab/Simulink.

Để đánh giá chất lƣợng của bộ lọc ta tiến hành khảo sát trong các

trƣờng hợp hệ thống điện cung cấp cho tải bể mạ trƣớc và sau khi có bộ lọc.

4.2.1. Mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực

*. Sơ đồ mô phỏng

Hình 4.17: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống cho tải bể điện phân

chưa có bộ lọc tích cực

*. Kết quả mô phỏng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Dạng dòng điện của tải phi tuyến:

Hình 4.18: Dạng dòng điện nguồn

Hình 4.19: Dạng dòng điện nguồn pha A

Phân tích phổ dòng điện pha A tại các giá trị khác nhau của E cho

kết quả:

Hình 4.20. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 8 (V)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 4.21. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 16 (V)

Hình 4.22. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 22 (V)

Bảng 4.1. Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn

Bậc sóng điều hòa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa (%) E=16(V) E=8(V) 0,06 0,10 100 100 0,15 0,05 0,10 0,02 0,20 0,17 40,43 47,68 0,48 0,45 16,88 22,70 0,12 0,22 0,08 0,18 0,17 0,25 14,42 17,02 0,42 0,32 8,68 11,80 0,13 0,19 0,09 0,13 0,16 0,18 E=22(V) 0,01 100 0,02 0,01 0,02 24,08 0,03 14,48 0,02 0,01 0,01 5,97 0,02 7,86 0,02 0,01 0,01 DC Fund 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

9,16 0,33 7,32 7,98 0,35 5,24 4,44 0,02 3,96 17 18 19

- Hệ số công suất của lƣới

Hình 4.23. Hệ số công suất khi chưa có bộ lọc

Từ kết quả ở trên cho thấy do có sự biến thiên các thành phần sóng điều

hòa bậc cao nên hệ số méo dạng dòng điện THD cũng thay đổi. Đối chiếu với

tiêu chuẩn IEEE std 519 ta thấy hệ số méo dạng dòng điện THD = 30,37%

vƣợt xa trị số số quy định trong tiêu chuẩn là hệ số THD phải nhỏ hơn 5%.

Ngoài ra hệ số công suất thấp cos = 0,66.

Mặt khác từ bảng 4.1 ở trên ta thấy các thành phần sóng điều hòa bậc

chẵn và bậc 3, 9,15 gần nhƣ không có trong khi đó các thành phần điều hòa

bậc 5, 7, 11, 13, 17, 19 chiếm tỷ lệ khá lớn. Các thành phần này gây ra bởi bộ

chỉnh lƣu cầu ba pha. Trong đó thì thành phần sóng điều hòa bậc 5 và bậc 7 là

chiếm tỷ lệ lớn hơn cả. Căn cứ theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 ta nhận thấy các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

thành phần sóng điều hòa trong dòng điện lƣới đều vƣợt quá tiêu chuẩn cho

phép đƣợc quy định theo tiêu chuẩn. Do đó cần có biện pháp để đảm bảo hạn

chế đƣợc các thành phần dòng điều hòa bậc cao trên lƣới. Biện pháp đƣợc sử

dụng là sử dụng mạch lọc tích cực.

4.2.2. Mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực

*. Sơ đồ mô phỏng

Hình 4.24: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống cho tải bể mạ

có sự tham gia của bộ lọc tích cực

*. Kết quả mô phỏng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Nguồn cấp cho tải bể mạ

Hình 4.25: Điện áp nguồn cấp cho bể mạ

- Đáp ứng dòng điện nguồn phía trƣớc mạch lọc: Cho ta thấy dòng điện

đã có dạng hình sin, các thành phần dòng điều hòa bậc cao đã đƣợc giảm.

Hình 4.26: Dòng điện nguồn sau khi bộ lọc tác động

Tuy nhiên để đánh giá đƣợc chất lƣợng của bộ lọc đối với việc triệt tiêu

các thành phần điều hòa xoay chiều bậc cao ta cần đánh giá qua hệ số biến

dạng dòng điện THD, hệ số này phải nằm trong tiêu chuẩn cho phép. Việc

này đƣợc thực hiện thông qua phân tích điều hòa dòng điện bậc cao. Ta phân

tích với dòng pha A.

Dòng điện nguồn pha A:

Hình 4.27: Dòng điện nguồn pha A sau khi bộ lọc tác động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Tiếp theo ta phân tích phổ dòng điện pha A tại các thời điểm khác nhau

sau khi mạch lọc tác động qua đó sẽ thấy đƣợc tác động của mạch lọc tích cực

đối với sự biến thiên của các thành phần sóng điều hòa bậc cao khi sức điện

động E thay đổi trong quá trình mạ.

Hình 4.28: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=8 (V) khi bộ lọc tác động

Hình 4.29: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=16 (V) khi bộ lọc tác động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 4.30: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=22 (V) khi bộ lọc tác động

Từ phân tích trên ta nhận thấy khi sức điện động E đã ổn định, hệ số méo

dạng dòng điện THD là 4,74%. Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE std 519 ta thấy

hệ số THD thỏa mãn tiêu chuẩn (<5%) nhƣ vậy trong trƣờng hợp này bộ lọc

làm việc đáp ứng đƣợc yêu cầu. Chất lƣợng dòng điện trên lƣới đƣợc bảo đảm.

- Một tiêu chuẩn khác để đánh giá là tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 quy định

tỷ lệ sóng điều hòa bậc cao đƣợc phép trong dòng điện lƣới:

Bảng sau đƣa ra tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa bậc cao trong dòng

điện nguồn sau khi mạch lọc tác động.

Bảng 4.2: Giá trị các thành phần sóng điều hòa trong dòng điện nguồn

Tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa (%) Bậc sóng điều hòa E=8(V) E=16(V) E=22(V)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

0,07 100 0,64 0,57 0,61 13,18 0,43 13,17 0,54 0,61 0,51 14,27 0,46 13,31 0,44 0,15 100 0,78 0,62 0,76 11,44 0,59 10,19 0,85 0,81 0,37 10,36 0,30 9,68 0,77 0,14 100 0,53 0,28 0,61 2,08 0,34 1,47 0,43 0,22 0,48 1,56 0,36 1,99 0,35 DC Fund 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

0,45 0,55 11,83 0,42 11,04 0,39 0,21 7,86 0,34 7,63 0,33 0,49 1,88 0,28 2,01 15 16 17 18 19

Khi sức điện động E đã ổn định. Đối chiếu với bảng 4.1 ta nhận thấy

mặc dù xuất hiện thêm một số thành phần sóng điều hòa mới nhƣng tỷ lệ của

chúng rất nhỏ so với thành phần cơ bản, các thành phần sóng điều hòa bậc 5,

7, 11… đã giảm đi rõ rệt so với khi chƣa có mạch lọc tác động.

Theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 thì các thành phần sóng điều hòa bậc

cao trong dòng điện lƣới phải nhỏ hơn một giá trị cho phép. Căn cứ vào kết

quả phân tích các thành phần điều hòa bậc cao trong dòng điện lƣới theo

bảng 4.3 và đối chiếu với tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 ta thấy tỷ lệ các thành

phần điều hòa bậc cao đều nằm trong tiêu chuẩn. Nhƣ vậy bộ lọc đáp ứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

đƣợc yêu cầu.

Hình 4.31: Công suất Q của nguồn và tải sau khi có bộ lọc tác động

- Công suất nguồn và công suất mạch lọc: mạch lọc thực hiện chức

năng bù CSPK do đó sau khi mạch lọc tác động thì lƣợng CSPK mà nguồn

cần cấp cho tải đƣợc cấp từ mạch lọc do đó lƣợng CSPK từ nguồn giảm

xuống. Sau khi mạch lọc tác động (tại thời điểm 0,03s) CSPK đƣợc cấp từ

nguồn giảm xuống, lúc này nguồn chỉ truyền tải một lƣợng CSPK rất nhỏ.

- Hệ số công suất: Ta thấy khi mạch lọc tác động thì dòng và áp phía

lƣới trùng pha (hệ số cos = 1), nhƣng hệ số công suất của nguồn chỉ xấp xỉ 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

do vẫn còn tồn tại các thành phần dòng điều hòa bậc cao.

Hình 4.32: Hệ số công suất sau khi bộ lọc tác động

Qua những phân tích ở trên ta thấy mạch lọc làm việc khá tốt đảm bảo

chức năng là lọc sóng điều hòa bậc cao và bù CSPK.

4.4. Kết luận chƣơng 4

- Qua kết quả mô phỏng với hệ thống lƣới điện với phụ tải phi tuyến là

bể mạ chƣa sử dụng bộ lọc cho thấy nguồn điện có chất lƣợng kém thể hiện

qua sự biến dạng dòng điện nguồn cung cấp (hình 4.18, 4.19) và cụ thể qua

phân tích phổ (hình 4.20, 4.21 và 4.22).

- Khi có sự tác động của bộ lọc tích cực chất lƣợng của hệ thống đã

đƣợc cải thiện đáng kể đó là sự biến dạng của dòng điện nguồn đã đƣợc giảm

(hình 4.26, 4.27 và 4.34) và cụ thể thể hiện qua phân tích phổ (hình 4.28, 4.29

và 4.28). Ngoài ra hệ thống đã bù đƣợc công suất phản kháng để nâng cos

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

của nguồn từ trung bình 0,7 lên xấp xỉ 1 (hình 4.23, 4.31 và 4.32).

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Nhiệm vụ chính của luận văn là nghiên cứu bộ lọc tích cực sử dụng

thiết bị điện tử công suất để lọc sóng điều hoà bậc cao và tích hợp bù công

suất phản kháng cho nguồn của phụ tải phi tuyến bể mạ.

Với những kết quả đã trình bày, luận văn đã đạt đƣợc những kết quả

nhất định, thể hiện ở những đặc điểm sau:

- Đã xây dựng đƣợc phƣơng pháp điều khiển hệ thống lọc sóng điều

hoà bậc cao tích hợp bù công suất phản kháng bằng bộ lọc tích cực và xây

dựng thành công mô hình mô phỏng của hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực

trong Matlab/Simulink.

- Kết quả mô phỏng cho thấy chất lƣợng của hệ thống khi có bộ lọc tích

cực đã đƣợc cải thiện một cách đáng kể thông qua các đại lƣợng quan trọng

nhƣ: dòng điện nguồn; công suất phản kháng Q; hệ số công suất.

- Với việc xây dựng thành công mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực

trong môi trƣờng Simulink của Matlab, đây có thể nói là cơ sở để có thể triển

khai xây dựng lắp đặt trong thực tế.

Kiến nghị

Do một số nguyên nhân chủ quan và khách quan, ở đây còn một số tồn

tại cần giải quyết nhƣ sau :

- Giả thiết nguồn cấp cho hệ thống là lý tƣởng, bỏ qua độ méo dạng của

nguồn điện áp.

- Tổn hao của bộ nghịch lƣu cũng chƣa đƣợc xem xét, đây là một tồn

tại cần giải quyết nhằm nâng cao hiệu suất cũng nhƣ chất lƣợng bộ lọc.

Các vấn đề nêu trên cần phải có sự đầu tƣ nghiên cứu một cách chuyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

sâu để hoàn thiện và triển khai mô hình trong thực tế.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Thị Hiền (1996), Điều chỉnh

tự động truyền động điện,Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.

[2]. Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh(2000), Hệ phi tuyến, Nhà xuất

bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[3]. Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003), Lý

thuyết điều khiển phi tuyến, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[4]. Nguyễn Phùng Quang(2005), Matlab & Simulink, Nhà xuất bản Khoa

học và kỹ thuật, Hà Nội.

[5]. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh(2004), Điện tử

công suất, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

Tiếng Anh

[6]. Park KI-WON, A Review of Active Power Filters, R&D Center -

POSCON.

[7]. H. Abaali, M. T. Lamchich, M. Raoufi(2008), Shunt Power Active

Filter Control under Non Ideal Voltages Conditions, International

Journal of Information Technology Volume 2 Number 3

[8]. Edson H.Watanabe*, Maurício Aredes* - Hirofumi Akagi+(2004),

The P-Q Theory For Active Filter Control: Some Problems And

Solutions, Federal University of Rio de Janeiro - Brasil*, Tokyo

Institute of Technology - Japan+

[9]. H. AKAGI, Modern active filters and traditional passive filters(2006),

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Tokyo, Japan.

[10]. M.V. Aware(2018), A.G. Kothari and S.S. Bhat, Power factor

improvement using active filter for unbalanced three-phase non-linear

loads, Visvesvaraya National Institute of Technology - India.

[11]. Mark McGranaghan(2012), Active Filter Design and specification for

Harmonics in Industrial and Ommercial Facilities, Electrotek

Concepts, Inc. Knoxville TN, USA.

[12]. Emílio F. Couto, Júlio S. Martins, João L. Afonso(2014), Similation,

Results of a shunt active with control base on p-q theory,

University of Minho- Portugal.

[13]. David M.E. Ingram and Simon D. Round(2016), A Fully Digital

Hysteresis Current Controller for an Active Power Filter, University of

Canterbury - New Zealand.

[14]. Tan Perng Cheng(2007), A Single - phase Hybrid Active Power Filter

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

with Photovoltaic Application, University Tecknology - Malaysia.

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối

NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT

Hình 2.2: Các thành phần sóng điều hòa

thành an và bn

Hình 2.6: Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha

Hình 2.7: Chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha, dạng dòng điện và phổ

Hình 2.8: Mô hình chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha

Hình 2.9: Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha

Hình 2.11: Chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha

Hình 2.13: Dạng dòng điện iA và phổ

Hình 2.14: Bộ lọc RC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.27: Bộ lọc tích cực 4 dây

Hình 2.28: Cấu trúc VSI

Hình 2.29: Cấu trúc CSI

Hình 2.31: Cấu trúc UPQC

Hình 2.32: Cấu trúc SSSC

Hình 2.33: Cấu trúc TCSC

Hình 2.35: Cấu trúc Stacom

Hình 3.1: Phương pháp FFT

Hình 3.4: Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết pq.

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống bể mạ

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch lực sử dụng bộ lọc tích cực

~

~

Hình 3.13: Sơ đồ thay thế mạch lực của bộ lọc

Hình 3.15: Thực hiện véc tơ us bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn

Hình 4.3: Khối điều áp xoay chiều 3 pha

Hình 4.4: Khối chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Đi ốt

Hình 4.8: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ

Hình 4.16: Khâu đo dòng điện, điện áp

Hình 4.17: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống cho tải bể điện phân

chưa có bộ lọc tích cực

Hình 4.18: Dạng dòng điện nguồn

Hình 4.25: Điện áp nguồn cấp cho bể mạ

Hình 4.26: Dòng điện nguồn sau khi bộ lọc tác động

Hình 4.27: Dòng điện nguồn pha A sau khi bộ lọc tác động

Có thể bạn quan tâm

Luận văn Thạc sĩ: Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện, từ của vật liệu multiferroic Ba₀.₇Ca₀.₃TiO₃/ NiFe₂O₄

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu vật liệu biến hóa dạng chuỗi một chiều chế tạo từ kim loại đồng trên đế FR-4 hoạt động tại tần số MHz ứng dụng trong truyền năng lượng không dây

Luận văn Thạc sĩ: Đánh giá khả năng tác động tới môi trường biển của việc xả nước thải từ sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima sử dụng công cụ ERICA

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng mô hình đầu dò nơtron và gamma sử dụng nhấp nháy EJ-276 ghép nối với mảng nhân quang silicon

Luận văn Thạc sĩ: Đánh giá khả năng ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đến sức khỏe cư dân khu vực mỏ đất hiếm Đông Pao, xã Bản Hon, huyện Tam Đường, tỉnh Lai Châu

Luận văn Thạc sĩ: Sử dụng phương pháp nhiễu xạ neutron khảo sát cấu trúc tinh thể và pha trật tự từ trong vật liệu Pr2FeCrO6

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu phân lập, xác định cấu trúc và hoạt tính ức chế NO của các hợp chất thứ cấp từ chủng vi nấm biển Aspergillus sp. CL251

Luận văn Thạc sĩ: Phân tích một số hợp chất bisphenol thôi nhiễm từ bao bì nhựa lên một số mẫu thực phẩm nền tinh bột

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và đánh giá hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của loài hoa mộc (Osmanthus fragrans (Thunb.) Lour.) ở Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và đánh giá tác dụng kháng viêm của loài côi Turpinia montana (Blume) Kurz

Luận văn Thạc sĩ: Tổng hợp và đặc trưng tính chất vật liệu composite có cấu trúc nano chitosan–cyclodextrin/TiO₂–Ag

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất của màng phủ trên cơ sở nhựa epoxy gốc nước và khung cơ kim - ZIF

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp một số dẫn xuất napthoquinone chứa nguyên tố flo bằng phản ứng đa thành phần

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu điều chế vật liệu Bioglass và tổ hợp lai với polymer ALG-F127 định hướng ứng dụng trong điều trị nội nha

Luận văn Thạc sĩ: Khảo sát thành phần hóa học và hoạt tính ức chế enzyme α-glucosidase trên một số hợp chất phân lập từ thịt quả bình bát nước (Annona glabra L.).

Luận văn Thạc sĩ: Tổng hợp và đánh giá hoạt tính chống ung thư của hợp chất lai chứa khung tetrahydro-β-carboline và imidazo[1,5-a]pyridine

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp một số dẫn xuất của benzazole

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu chiết tách lignin từ vỏ sầu riêng Ri6 (Durio zibethinus Murr.) và tổng hợp vật liệu biocomposite định hướng ứng dụng trong bảo quản sau thu hoạch

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hạt nano bạc phủ acid hyaluronic mang doxorubicin định hướng ứng dụng trong điều trị ung thư

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và hoạt tính kháng viêm của loài rau dừa nước (Ludwigia adscendens)

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)