Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 30 (55) - Thaùng 7/2017<br /> <br /> <br /> <br /> Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha<br /> dưới tác động của tải phi tuyến<br /> Simulation model of three-phase active filter under the impact of nonlinear loads<br /> <br /> ThS. Huỳnh Lê Minh Thiện, Trường Đại học Sài Gòn<br /> Huynh Le Minh Thien, M.Sc., Saigon University<br /> <br /> TS. Hồ Văn Cừu, Trường Đại học Sài Gòn<br /> Ho Van Cuu, Ph.D., Saigon University<br /> <br /> TS. Trần Thanh Vũ, Trường Đại học Sài Gòn<br /> Tran Thanh Vu, Ph.D., Saigon University<br /> <br /> ThS. Đỗ Đăng Trình, Trường Đại học Tây Đô<br /> Do Dang Trinh, M.Sc., Tay Do University<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Trong bài báo này, một mô hình đơn giản về Bộ lọc tích cực trong hệ thống có tải phi tuyến ba pha<br /> được đề xuất. Sơ đồ điều khiển bộ lọc là điện áp đầu ra bộ nghịch lưu làm việc như là nguồn cung cấp<br /> điện AC. Mô hình phi tuyến của hệ thống bao gồm bộ lọc LC trong khung tham chiếu đồng bộ d-q-0.<br /> Sau đó, các dòng phản hồi đầu vào-đầu ra được điều khiển bỡi khối điều khiển PI để tránh những tính<br /> toán phức tạp và đơn giản hóa thêm cấu trúc bộ điều khiển. Ngoài ra, một bộ lọc thấp qua và một bộ lọc<br /> cao qua được sử dụng để loại bỏ sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến để nâng cao chất lượng nguồn. Hiệu<br /> quả của phương pháp điều khiển đã được chứng minh bằng các kết quả mô phỏng.<br /> Từ khóa: lọc nguồn tích cực, tải phi tuyến, bộ lọc nguồn tích cực mắc song song, bộ lọc tích cực 3 pha,<br /> bộ điều khiển PI, tải không cân bằng.<br /> Abstract<br /> In this paper, a simple model of Active filter to regulate the three-phase nonlinear loads is proposed.<br /> The control scheme is output line-to-neutral voltages of a split-capacitor inverter as an AC power<br /> supplies. First, the nonlinear model of the system consisting of LC filter is obtained in the d-q-0<br /> synchronous reference frame. Then, the input-output feedback currents are applied through the PI<br /> approach, which avoids the complex calculations and simplifies the controller structure. Also, a low-<br /> pass filter and a high-pass filter are employed for the PI controller to eliminate the harmonic wave<br /> caused by nonlinear loads to improve the source quality. The validity of the control method has been<br /> verified by simulation results.<br /> Keywords: active power filter, nonlinear load, SAPF (Shunt Active Power Filter), three-phase active<br /> filter, PI controller, unbalanced load.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10<br />  HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH<br /> <br /> <br /> 1. Giới thiệu lượng nguồn. Tác giả và nhóm của tác giả<br /> Việc sử dụng các tải phi tuyến như bộ vẫn tiếp tục tìm kiếm phương pháp điều<br /> biến đổi tốc độ động cơ, máy hàn hồ quang khiển mới cho bộ lọc tích cực.<br /> điện, và nguồn điện sử dụng chuyển mạch Trong những năm gần đây, các bộ lọc<br /> điện tử gây ra một lượng lớn dòng điện hài tích cực (APF) dựa trên bộ chuyển đổi<br /> trong hệ thống phân phối điện. Những PWM được phát triển rộng rãi và được coi<br /> dòng hài này làm méo dạng điện áp, tăng là một giải pháp khả thi. Tuy nhiên, hầu<br /> tổn thất điện năng và làm nóng máy biến hết chúng đều dựa trên các sóng hài cảm<br /> áp, gây mất ổn định trong hoạt động của ứng và các yêu cầu về điện áp xung không<br /> thiết bị điện tử. tải tuyến tính [4-6] và đòi hỏi hệ thống<br /> Để cải thiện chất lượng nguồn cho điều khiển phức tạp. Duke and Round đã<br /> mạng lưới phân phối, các bộ lọc thụ động đề xuất một chương trình trong đó dòng<br /> truyền thống như điện cảm (L), điện dung điện bù yêu cầu được xác định bằng cách<br /> điện cảm (LC) và điện cảm điện dung điện sử dụng một kỹ thuật Sinusoid tổng hợp<br /> cảm (LCL) đã được sử dụng để loại bỏ các bằng cảm biến dòng. Nghiên cứu này<br /> sóng hài dòng và nâng cao công suất tải hệ được phát triển thêm bằng cách chỉ dùng<br /> số. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, cảm biến dòng [8], đơn giản và dễ thực thi<br /> các bộ lọc bậc hai thụ động này có nhiều mô hình.<br /> nhược điểm như vấn đề lão hóa và điều 2. Mô hình hệ thống sử dụng bộ lọc<br /> chỉnh, cộng hưởng song song, và yêu cầu tích cực<br /> phải thực hiện một bộ lọc riêng cho mỗi Mô hình đơn giản được trình bày như<br /> tần số sóng hài cần được loại bỏ. hình 1 mô tả hệ thống nguồn 3 pha tải phi<br /> Để khắc phục những vấn đề này, các tuyến có sử dụng bộ lọc tích cực mắc song<br /> bộ lọc tích cực đã được đề xuất trong [1, 2] song, bảng 1 mô tả các tín hiệu được ký<br /> để nghiên cứu về khả năng cải thiện chất hiệu trong hình 1.<br /> <br /> Bảng 1. Mô tả tín hiệu<br /> Tín hiệu Mô tả<br /> I_sa Dòng điện của pha a<br /> I_sb Dòng điện của pha b<br /> I_sc Dòng điện của pha c<br /> I_a Dòng điện trên tải của pha a<br /> I_b Dòng điện trên tải của pha b<br /> I_c Dòng điện trên tải của pha c<br /> I_afa Dòng điện trên bộ lọc của pha a<br /> I_afb Dòng điện trên bộ lọc của pha b<br /> I_afc Dòng điện trên bộ lọc của pha c<br /> <br /> <br /> 11<br /> MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN<br /> <br /> 3-Phase Active Filter<br /> <br /> Nonlinear Load<br /> <br /> A<br /> <br /> Source<br /> <br /> I_a<br /> I_b<br /> I_c Active Filter<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> I_afa<br /> <br /> I_afb<br /> <br /> I_afc<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> I_a<br /> <br /> I_b<br /> <br /> I_c<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình bộ lọc tích cực đơn giản<br /> <br /> <br /> 2.1. Mô hình khối nguồn Trong đó   11200  e j (2 /3)<br /> Hệ thống nguồn được mô tả bởi các Ma trận biểu diễn điện áp thứ tự<br /> công thức toán học như (1) đới với nguồn nghịch được biểu diễn như công thức (6)<br /> áp và (2) đối với nguồn dòng [1].<br /> <br /> Van  1 1 1  V0 n <br /> Vk (t )   2Vkn sin(nt  k n )     <br /> k  (a, b, c) (1)<br /> Vbn   1 <br /> 2<br />   V n  (6)<br /> n1<br />   2  <br /> <br /> Vcn  1    V n <br /> I k (t )   2 I kn sin(nt  k n ) k  (a, b, c) (2)<br /> n1<br /> Triển khai ma trận điện áp trên ta được<br /> Trong đó n là bậc hài. chi tiết các phương trình như (7)<br /> Hai phương trình trên được viết lại<br /> dạng biên độ và pha như (3) và (4), bao van (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n ) <br /> gồm hài cơ bản (n=1) và hài bậc n [1].  2V n sin(nt   n )<br /> .   .<br /> V k  Vkn k n  V kn k  (a, b, c) (3) 2<br /> n1 n1<br /> vbn (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n  )<br /> 3<br />   .<br /> 2<br /> .<br /> I k   I kn k n   I kn k  (a, b, c) (4)  2V n sin(nt   n  ) (7)<br /> n1 n1 3<br /> Biểu diễn ma trận cho mỗi bậc hài của 2<br /> vcn (t )  2V0n sin(nt  0n )  2V n sin(nt   n  )<br /> 3 pha a, b, c, áp thứ tự không, thứ tự thuận 3<br /> và thứ tự nghịc [2]. 2<br />  2V n sin(nt   n  )<br /> V0 n  1 1 1  Van  3<br />   1   Tương tự như vậy, ta được dòng điện<br />  2  Vbn <br /> (5)<br />   n  3 1 <br /> V <br /> V n  1  2   Vcn  như (8)<br />  <br /> <br /> <br /> 12<br />  HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH<br /> <br /> <br /> ian (t )  2 I 0 n sin(nt   0 n )  2 I  n sin(nt    n )  thụ thành phần phản kháng.<br /> 2 I  n sin(nt    n ) Dòng không đối xứng. Tiêu thụ bởi ba<br /> 2 (8) dòng tải không bằng nhau trong cả ba pha.<br /> ibn (t )  2 I 0 n sin(nt   0 n )  2 I  n sin(nt    n  )<br /> 3<br /> Sóng hài. Được tạo ra bởi các tải<br /> 2<br /> 2 I  n sin(nt    n  ) không tuyến tính, ví dụ: Một bộ chỉnh lưu<br /> 3<br /> icn (t )  2 I 0 n sin(nt   0 n )  2 I  n sin(nt    n <br /> 2<br /> )<br /> diode, với kết quả là dòng điện không hoàn<br /> 3 toàn sinusoidal.<br /> 2<br /> 2 I  n sin(nt    n  ) 2.3. Mô hình mạch lọc tích cực<br /> 3<br /> Với tải phi tuyến trong hệ thống năng Bộ điều khiển tổng quát trong đó thể<br /> lượng điện, hệ thống nguồn sẽ tồn tại sóng hiện các biến tham chiếu được tính toán<br /> hài và giảm chất lượng điện, gây nguy hại trên hệ quy chiếu d-q như hình 3[1].<br /> cho các thiết bị điện và điện tử có trong hệ<br /> thống.<br /> 2.2. Mô hình tải<br /> Một trong những mô hình phổ biến<br /> của tải phi tuyến là tải chỉnh lưu bán dẫn<br /> như hình 2.<br /> Hình 3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển<br /> mạch lọc tích cực<br /> Phase A<br /> RL Các tín hiệu ia, ib, ic là các dòng điện<br /> tải ứng với 3 pha, va, vb, vc áp tải 3 pha<br /> Phase B<br /> <br /> LL<br /> Phase C<br /> <br /> tương ứng. Chuyển đổi sang hệ tọa độ αβ<br /> như công thức (9) và (10):<br /> 1 1 1 <br /> Hình 2. Tải phi tuyến  v0   2 2 2  va <br /> Tải không lý tưởng: Tải không thuần   2 1  1 .v <br />  <br /> v  . 1 (9)<br /> 3 2 2   b<br /> trở gây ra hiện tượng tiêu thụ công suất v     3  vc <br />   3<br /> phản kháng phi tuyến; hoặc tải biến đổi về  0 2 2 <br /> thời gian hoặc pha nên có chứa nhiều thành Dòng điện ứng trên hệ trục αβ :<br /> phần dòng điện họa tần; hoặc tải độ lớn 1 1 1 <br />  i0   2 2  ia <br /> khác nhau ở mỗi pha sẽ tạo ra dòng điện  <br /> 2<br /> 2 1  1 .i <br /> thứ tự nghịch. i   3 . 1 2 2   b (10)<br /> i    3  ic <br /> Các vấn đề của tải không lý tưởng là  <br />  0<br /> 3<br /> 2 2 <br /> bất kỳ tải ba pha nào tiêu thụ năng lượng<br /> Theo đó, công thức công suất được<br /> khác với một tải điện ba pha đối xứng với<br /> tính bỡi công thức (11):<br /> hệ số công suất là 1 (không có độ trễ pha<br /> giữa điện áp và dòng điện) và tần số cơ bản  p0  v0 0 0   i0 <br />     <br />  p   . 0 v v .i <br /> là không lý tưởng.<br /> (11)<br /> Dòng tải không lý tưởng có ít nhất một  q   0  v v  i <br /> trong các thành phần sau: <br /> Dòng phản kháng. Tải có chứa các Công thức (12) là dòng điện càn phải<br /> thành phần điện cảm hoặc điện dung tiêu có được trên bộ lọc [2]:<br /> <br /> <br /> 13<br /> MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN<br /> <br /> <br /> ic*  1 v v   p  pLoss  p  Khâu giữ bậc 2 lọc thông thấp (15):<br /> *  2 2 v .  (12)<br /> ic  v  v   v   q  kc2<br /> GLPF ( s)  2 (15)<br /> Chuyển lại hệ tọa độ thực theo hệ s  2c s  c2<br /> phương trình (13) [2]:<br /> Trong đó:<br /> ica*  1 2 1 0   i0 <br /> * 2   *  (13) Gain k<br /> icb   3 .1 2  1 / 2 3 / 2 . ic <br /> icc*  1 2  1 / 2  3 / 2  i *  Damping ratio <br />      c <br /> Để sine hóa dòng điện nguồn, yêu cầu Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p))<br /> các dòng điện ica*, ica*, ica* và dòng hồi tiếp Modified PI (Proportional-integral)<br /> phải được xử lý bỡi khâu PI của bộ lọc tích controller:<br /> cực. Điện áp điều khiển được yêu cầu so 1 1<br /> sánh với sóng tam giác tần số cao để tạo GPI _ Modify ( s)  k (1  )( ) (16)<br /> sT 1  sTp<br /> xung điều khiển các khóa bán dẫn trong bộ<br /> nghịch lưu. Trong công thức (16):<br /> 3. Hệ thống điều khiển của SAPF<br /> Hình 4 mô tả mạch điều khiển cho một Gain k<br /> pha, trong đó HPF, LPF và bộ điều khiển Time constant of the T, in second<br /> PI_Modify được mô tả chi tiết bỡi (14), controller<br /> (15) và (16) Frequency of the pole fp , in Hz<br /> Khâu giữ bậc 2 lọc thông cao.<br /> ks 2 Mô tả tín hiệu trong sơ đồ khối điều<br /> GHPF ( s)  (14) khiển hình 4:<br /> s 2  2c s  c2<br /> Trong đó: Tín<br /> Mô tả Ghi chú<br /> Gain k hiệu<br /> I_a Dòng điện trên<br /> Damping ratio  tải pha a<br /> Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p)) k Khâu tỉ lệ Vout = k * Vin<br /> V_h Dạng tín hiệu<br /> V I_a Vh<br /> K sóng hài<br /> Vhold1 V hold2<br /> Ia HPF LPF HPF LPF V_ma Tín hiệu để tạo<br /> xung điều khiển<br /> To the<br /> <br /> V I_fa V V ma<br /> converter s<br /> pulse<br /> cho pha a<br /> PI modify V ka controll<br /> K<br /> V af_a controller voltage for<br /> phase a V_ka Xung điều khiển<br /> K<br /> V carr<br /> i_afa<br /> pha a<br /> I_afa Dòng điện lọc<br /> của pha a<br /> V_carr Sóng mang tần<br /> Hình 4. Mạch nguyên lý điều khiển của số cao<br /> pha a<br /> <br /> <br /> 14<br />  HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH<br /> <br /> <br /> Tương tự cho pha b và pha c. 5. Kết luận<br /> 4. Kết quả mô phỏng Kết quả dạng sóng sine đã được cải<br /> Tín hiệu dòng điện tải qua 2 lần khâu giữ thiện độ méo hài, hình 8, cùng với bảng kết<br /> bậc 2 thông cao cao và thông thấp, hình 5. quả TDH.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Dạng sóng của I_La và V_hold2 Hình 8. Dạng sóng dòng điện nguồn<br /> sau lọc<br /> Bảng 2. Kết quả giảm méo hài THD<br /> Fundamental Frequency 6.0000000e+001 Hz<br /> I(i_sa) 5.4928609e-003<br /> I(i_sb) 5.3634647e-003<br /> I(i_sc) 5.3283370e-003<br /> Với mô hình mô phỏng đơn giản đã<br /> trình bày, khâu điều khiển PI_modify trong<br /> bộ lọc tích cực đã làm tốt nhiệm vụ triệt<br /> Hình 6. Sóng hài V_h sóng hài do tải không lý tưởng gây ra, kết<br /> V_h là dòng điện sóng hài sau khi tín quả làm giảm THD như đã trình bày trong<br /> hiệu I_La đi qua hai lần khâu giữ bậc hai Bảng 2.<br /> mạch lọc thông cao và lọc thông thấp, mô<br /> tả trong phương trình (17). TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> i_La – v_hold2 = V_h (17) 1. Le Minh Thien Huynh, Thanh Vu Tran, Van<br /> Cuu Ho, “Optimization Problem of<br /> Compensated Current in Electrical Power<br /> Systems Using General Three-Phase Active<br /> Power Filter”, AETA, Dec 2015.<br /> 2. Tan Luong Van, Le Minh Thien Huynh,<br /> Thanh Trang Tran and Duc Chi Nguyen,<br /> “Improved Control Strategy of Three-Phase<br /> Four-Wire Inverters using Sliding Mode<br /> Input-Ouput Feedback Linearization under<br /> Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”,<br /> AETA, Dec 2015.<br /> 3. N.V.Nho, M.J. Youn, “Carrier PWM<br /> algorithm with optimized switching loss for<br /> Hình 7. Tín hiệu sine của nguồn điện sau three-phase four-leg multilevel<br /> khi có sử dụng bộ lọc tích cực. inverters”, IEEE Letters, UK, vol.41, pp.43-<br /> <br /> 15<br /> MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN<br /> <br /> 44, vo.1, ISSN 0013-5194, Jan. 2005 Electronics, vol.58, no. 9, Sep. 2011.<br /> 4. Nguyễn Văn Nhờ, Myung- Bok Kim, Gun- 6. Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea<br /> Woo Moon, Myung- Joong Youn, “A Novel Tilli, “Four - Wire Shunt Active Filters:<br /> Carrier Based PWM Method in Three-phase Optimized Design Methodology”, IEEE 2003.<br /> Four-Wire Inverters”, IEEE 2004. 7. H. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae,<br /> 5. N.V. Nho, N.X. Bac and H-H. Lee, "An “Generalized Theory of the Instantaneous<br /> Optimized Discontinuous PWM Method to Reactive Power in Three-Phase”, IPEC'83 -<br /> Minimize Switching Loss for Multilevel Int. Power Electronics Conf., Tokyo, Japan,<br /> Inverters”, IEEE Transactions on Industrial 1983, pp. 1375-1386.<br /> <br /> <br /> Ngày nhận bài: 02/6/2017 Biên tập xong: 15/7/2017 Duyệt đăng: 20/7/2017<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 16<br />