ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN TRUNG KIÊN
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN
THÀNH PHỐ LẠNG SƠN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN
THÁI NGUYÊN – 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN TRUNG KIÊN
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ĐỂ CẢI THIỆN
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN
THÀNH PHỐ LẠNG SƠN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8 52 02 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đặng Danh Hoằng
THÁI NGUYÊN – 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Trung Kiên
Đề tài luận văn: Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất
lượng điện năng cho lưới điện Thành phố Lạng Sơn.
Chuyên ngành:Kỹ thuật điện.
Mã số: : 8.52.02.01
Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với
các nội dung sau:
- Sửa các sai sót về chế bản ,lỗi chính tả, chú thích không đi kèm với hình,
các trang nội dung dịch ra ngoài khung trang đã chỉnh.
- Sửa đề mục có sự trùng lặp (2.2 và 2.3), đưa ra cấu trúc điều khiển( bù công
suất phản kháng với bộ điều khiển PI) chi tiết hơn hình 2.18
Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020
Cán bộ hướng dẫn Tác giả luận văn
TS. Đặng Danh Hoằng Nguyễn Trung Kiên
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS. Nguyễn Như Hiển
i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Trung Kiên
Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1980
Học viên lớp cao học khoá 21 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật Công
Nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Công ty điện lực Lạng Sơn.
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của
giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn
Nguyễn Trung Kiên
ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau
đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo,
các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng
cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học
Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy
TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin
chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề
tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các
thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa
trong quá trình công tác sau này.
Học viên
Nguyễn Trung Kiên
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. III
MỤC LỤC ................................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. IX
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 1
3. Nội dung của luận văn ............................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN
TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN ..................................................... 3
1.1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong lưới
điện .................................................................................................................................. 3
1.1.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao ............................................... 3
1.1.2. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao ................................................................ 3
1.1.3. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên lưới
điện .............................................................................................................................. 7
1.1.4. Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài ........................................................... 9
1.2. Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn ......................................................... 16
1.2.1. Lưới điện trung thế .......................................................................................... 17
1.2.2. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Lạng Sơn trong một vài năm gần
đây ............................................................................................................................. 20
1.2.3. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính toán ..................................................... 21
1.2.4. Một số phụ tải phát sinh sóng hài lớn tại thành phố Lạng Sơn ....................... 22
1.2.5. Giải pháp lọc sóng hài .................................................................................... 24
1.3. Kết luận chương 1 ................................................................................................ 24
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC TÍCH
CỰC ĐỂ LỌC SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ...................... 25
2.1. Tổng quan bộ lọc tích cực .................................................................................... 25
2.1.1. Nhiệm vụ của bộ lọc tích cực .......................................................................... 25
iv
2.1.2. Giới hạn công suất của bộ lọc tích cực ........................................................... 25
2.2. Phân loại bộ lọc tích cực ..................................................................................... 26
2.2.1. Bộ lọc tích cực song song ............................................................................... 26
2.2.2. Bộ lọc tích cực nối tiếp ................................................................................... 28
2.2.3. Bộ lọc tích cực dựa theo nguồn cung cấp điện ............................................... 29
2.2.4. Bộ lọc tích cực theo bộ biến đổi công suất ..................................................... 31
2.3. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực ............................................................... 32
2.4. Các thuật toán lọc tích cực .................................................................................. 35
2.4.1 Các thuật toán lọc tích cực dựa trên miền tần số ............................................. 35
2.4.1.1 Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform) ..................................... 35
2.4.1.2 Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform) ............................................ 36
2.4.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian .................................. 36
2.4.2.1. Phương pháp xác định dòng bù trong hệ dq ............................................ 37
2.4.2.2 Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q ............................. 38
2.5. Xây dựng cấu trúc điều khiển ............................................................................. 42
2.6. Kết luận chương 2................................................................................................. 44
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ......... 45
3.1. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [5] ...................... 45
3.1.1. Khối nguồn xoay chiều 3 pha .......................................................................... 45
3.1.2. Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI ................................................... 45
3.1.3. Khối bộ lọc tích cực ........................................................................................ 46
3.1.4 Khâu tính toán độ méo dạng (THD) ................................................................ 53
3.1.5 Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha .................... 53
3.1.6. Khâu đo dòng điện, điện áp ............................................................................. 54
3.2. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................................... 54
3.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống ......................................... 56
3.3.1 Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực ................................... 56
3.3.2. Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực ........................................... 58
3.3.3. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống ....................................................... 63
3.4. Kết luận chương 3................................................................................................. 64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 66
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
Tần số lưới điện 1 f
Hàm chu kỳ không sin 2 f(t)
Biên độ thành phần điện áp điều hoà cơ bản 3 U1
Biên độ thành phần điện áp điều hoà bậc n 4 Un
Biên độ thành phần dòng điện điều hoà cơ bản 5 I1
Biên độ thành phần dòng điện điều hoà bậc n 6 In
7 PF Hệ số công suất
8 Công suất tác dụng tức thời p
9 Công suất phản kháng tức thời q
Công suất tác dụng 10 P
Công suất phản kháng 11 Q
12 R Điện trở lọc
Điện cảm lọc 13 L
14 C Điện dung lọc
15 Dòng điện nguồn iS
16 Dòng điện lưới phía tải (dòng tải) iL
17 Dòng điện chạy qua bộ lọc iF
Điện áp nguồn 18 Us
Điện áp thành phần điều hoà bậc cao 19 Uh
Điện áp thành phần cơ bản 20 UF
21 Điện áp biểu diễn trên hệ trục u0, u, u
22 Điện áp biểu diễn trên hệ trục abc ua, ub, uc
23 Dòng điện biểu diễn trên hệ trục abc ia, ib, ic
24 Dòng điện biểu diễn trên hệ trục i0, i, i
25 Điện áp biểu diễn trên hệ trục dq ud, uq
vi
26 Dòng điện biểu diễn trên hệ trục dq id, iq
Tần số góc nguồn điện 27
Điện áp 1 chiều 28 Udc
29 S Công suất biểu kiến
Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần , 30 dòng 1 chiều
Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành phần 31 dòng xoay chiều
Chu kỳ dòng điện 32 T
Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ
33 CSPK Công suất phản kháng
34 CSTD Công suất tác dụng
35 THD Hệ số méo dạng
36 SVC Đóng ngắt bằng Thyristor
37 DC Một chiều
38 AC Xoay chiều
Bộ lọc tích cực song song 39 AFn
Bộ lọc tích cực nối tiếp 40 AFS
41 TSR Thyristor Switched Reactor
42 TCR Thyristor controller Reactor
43 DFT Discrete Fourier Transform
44 FFT Fast Fourier Transform
45 PLL Phase locked loop
46 SVM Space vector modulation method
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp .................................. 8
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện ............................... 9
Bảng 1.3: IEC 1000-3-4 ............................................................................................. 9
Bảng 1.4. Mang tải của đường dây trung thế sau trạm 110kV Lạng Sơn ............... 19
Bảng 1.5. Tổn thất điện năng qua các năm của thành phố Lạng Sơn ...................... 21
Bảng 1.6. Kết quả công suất các lộ trung thế ........................................................... 21
Bảng 1.7. Tổn thất điện năng kỹ thuật qua các năm của TP Lạng Sơn .................... 22
viii
Hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin) ........................ 4
Hình 1.2: Các thành phần sóng điều hòa .................................................................................... 5
Hình 1.3: Phân tích Fn
thành an và bn .......................................................................................... 6
Hình 1.4: Phổ của các thành phần điều hòa ................................................................................ 6
Hình 1.5: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển ........................................ 10
Hình 1.6: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không
điều khiển ................................................................................................................................. 10
Hình 1.7: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần .................................................................... 11
Hình 1.8: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha không điều khiển ....................................... 11
Hình 1.9: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu pha không điều khiển12
Hình 1.10: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần ................................................................. 12
Hình 1.11: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp qua bộ điều khiển
PI ............................................................................................................................................... 13
Hình 1.12: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều
khiển trực tiếp ........................................................................................................................... 13
Hình 1.13: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần ................................................................. 14
Hình 1.14: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển PWM................................ 14
Hình 1.15: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu ............................... 15
Hình 1.16: Dạng dòng điện pha A phía nguồn và phổ tần ...................................................... 15
Hình 1.17: Sơ đồ kết dây cơ bản lưới điện Thành phố Lạng Sơn ............................................ 17
Hình 1.18: Trạm 110KV Lạng Sơn .......................................................................................... 18
Hình 1.19: Hình ảnh công ty cổ phần xây lắp điện Lạng Sơn ................................................. 23
Hình 1.20: Hình ảnh công ty cổ phần xi măng Lạng Sơn ....................................................... 23
Hình 2.1: Bộ lọc tích cực song song ......................................................................................... 26
Hình 2.2: Cấu trúc bộ lọc tích cực song song ........................................................................... 28
Hình 2.3: Bộ tíc cực nối tiếp .................................................................................................... 28
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý làm việc của AFS ........................................................................... 29
Hình 2.5: Bộ lọc tích cực 3 dây ................................................................................................ 30
Hình 2.6: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa ......................................................................... 30
Hình 2.7: Bộ lọc tích cực 4 dây ............................................................................................... 31
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
ix
Hình 2.8: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn áp VSI ....................................................... 31
Hình 2.9: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn dòng CSI ................................................... 32
Hình 2.10: Nguyên lý bù công suất phản kháng của bộ bù tích cực ........................................ 33
Hình 2.11: Trạng thái hấp thụ công suất của bộ lọc tích cực ................................................... 34
Hình 2.12: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ lọc .................................................. 34
Hình 2.13: Phương pháp FFT ................................................................................................... 36
Hình 2.14: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq ............................................................... 37
Hình 2.17: Lưu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q ................................................. 42
Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực ........................................... 43
Hình 3.1: Khối nguồn ba pha................................................................................................... 45
Hình 3.2: Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI ............................................................ 46
Hình 3.3. Bộ biến đổi và thông số của bộ biến đổi................................................................... 47
Hình 3.4: Mạch điều khiển của bộ lọc ...................................................................................... 48
Hình 3.5: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ ................................................................................. 49
Hình 3.6: Khâu tính bù công suất PQ ...................................................................................... 50
Hình 3.7: Khâu tính toán dòng bù pq ....................................................................................... 51
Hình 3.8: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc .............................................................................. 51
Hình 3.9: Khối SVM ................................................................................................................ 52
Hình 3.10: Chọn các véc tơ ...................................................................................................... 52
Hình 3.11: Khâu tính toán TDH và thông số của TDH ............................................................ 53
Hình 3.12: Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu dòng áp ............................................................... 53
Hình 3.13: Khâu đo dòng điện, điện áp .................................................................................... 54
Hình 3.14: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi tuyến khi chưa
có bộ lọc tích cực ...................................................................................................................... 55
Hình 3.15. Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi tuyến khi có bộ
lọc tích cực ................................................................................................................................ 55
Hình 3.16: Dạng dòng điện nguồn............................................................................................ 56
Hình 3.17: Phân tích phổ và THD của dòng điện nguồn .......................................................... 56
Hình 3.18: Bảng số liệu phân tích phổ dòng điện nguồn pha A ............................................... 57
Hình 3.19: a) Dạng dòng điện 1 pha khi chưa có bộ lọc tác động; ......................................... 58
b) Dạng dòng điện 3 pha khi chưa có bộ lọc tác động ............................................................. 58
Hình 3.20: a) Dạng dòng điện 1 pha khi có bộ lọc tác động; .................................................. 59
x
b) Dạng dòng điện 3 pha khi có bộ lọc tác động ...................................................................... 59
Hình 3.21: Dạng dòng điện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác động .................................. 60
Hình 3.22: Dạng dòng điện khi có bộ lọc tác động xét tại thời điểm từ 0,4 đến 0,5s ............. 60
Hình 3.23: Phân tích phổ của dòng điện pha A khi có bộ lọc tác động .................................. 61
Hình 3.24: Công suất phản kháng của hệ thống ....................................................................... 61
Hình 3.25: Hệ số công suất cosφ ............................................................................................. 62
Hình 3.26: Đáp ứng công suất biểu kiến của hệ thống ............................................................. 62
Hình 3.27: Đáp ứng điện áp điều khiển Ud của hệ thống ......................................................... 63
Hình 3.28: Phân tích phần trăm phổ dòng điện nguồn pha A khi có bộ lọc ............................. 63
xi
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp trong đất nước. Điện năng
cung cấp cho các phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về giá trị công suất mà chất
lượng điện năng cũng phải được 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 như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới
các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện năng... Do đó, các thành phần
dòng điều hòa bậc cao trên lưới 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 lưới 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 như loại bỏ sóng hài và có khả
năng bù công suất phản kháng.
Từ những nhận định trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu phương pháp sử
dụng bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng lưới điện cung cấp cho các phụ tải. Vì vậy
tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng
điện năng cho lưới điện Thành Phố Lạng Sơn".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu về hệ thống lưới điện phân phối cung cấp điện cho thành phố Lạng
Sơn của tỉnh Lạng sơn.
- Phân tích hiện tượng xuất hiện sóng hài bậc cao.
- Đề xuất thiết kế bộ lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao và có khả năng bù công
suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng nguồn điện cung cấp.
3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn và phụ tải phát sinh sóng
hài.
1
Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển sử dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài
và bù công suất phản kháng.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống
Kết luận và kiến nghị
2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG
LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN
1.1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong
lưới điện
1.1.1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao
Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong đời sống dân sinh cũng như sản xuất
công nghiệp hết sức đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, đồng nghĩa kéo
theo đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ thống
cung cấp điện.
Như ta đã 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 (Việt Nam) hoặc 60 Hz (Mỹ, Nhật), gọi
là sóng cơ bản. Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân như: Sự cố đường dây,
các phụ tải phi tuyến như: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ… làm cho phát sinh
phía nguồn hệ thống cung cấp điện 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 (hay còn gọi là sóng
hài).
Sự tồn tại của các sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống điện gây ảnh hưởng
không tốt tới các thiết bị điện và đường dây truyền tải. Chúng gây ra hiện tượng: quá
áp, méo điện áp lưới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụ tải, giảm
chất lượng 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 được sử dụng để loại bỏ sóng điều hòa bậc cao gọi là các bộ lọc.
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 lượng điện năng cho lưới cung cấp và phân phối điện đến phụ tải.
1.1.2. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao
Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ra tại các nhà máy
điện, trạm điện lớn có chất lượng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc
biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng
3
không còn dạng sin [10, 11] được thể hiện trên hình 1.1b.
a)
b)
Hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin)
Sóng chu kỳ không sin có thể coi như 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 trường hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng điều hòa có
thể bao gồm một trong ba thành phần trên.
Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện nên cần phải
chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao lớn hơn mức độ cho phép. Sóng điều
4
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 lưới 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 được với các thiết bị làm việc trên lưới 50(Hz). Vì vậy nó sẽ chuyển thành dạng
f(t)
1.5
Thành phần cơ bản
1
Thành phần bậc 5
0.5
0
-0.5
Thành phần bậc 7
-1
-1.5
nhiệt năng và gây tổn hao.
Hình 1.2: 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 như biểu thức sau:
(1.1)
Trong đó :
: Giá trị trung bình
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 như sau:
(1.2)
Ta quy ước:
Khi đó ta có thể viết như sau:
5
(1.3)
Im
Re
Hình 1.3: Phân tích Fn
thành an và bn
Ví dụ phổ của hài được thể hiện như sau:
Hình 1.4: Phổ của các thành phần điều hòa
Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan trọng nhất
dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao.
(1.4)
Trong đó: X1: Biên độ thành phần cơ bản
Xn: Biên độ thành phần điều hòa bậc n.
Từ công thức trên ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp qua hệ số
méo dạng như sau:
6
Hệ số méo dạng dòng điện:
(1.5)
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:
(1.6)
Trong đó: U1: Biên độ thành phần điện áp cơ bản
Un: Biên độ thành phần điện áp điều hòa bậc n.
Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn như IEEE 519-2014, IEC 1000-4-3 về giới
hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới, đối với mỗi loại tải qui định THD <
5%, riêng đối với tải kỹ thuật số THD < 3%.
1.1.3. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên
lưới điện
*. Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá
trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công
thức sau:
= (1.7)
= (1.8)
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 hưởng của sóng điều hòa bậc cao lênn
một số thiết bị như sau:
7
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
hưởng 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 tượng 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 ngược, …
Các tụ điện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất điện môi (làm giảm
dung lượng tụ), gây hiện tượng cộng hưởng trên tụ…
Các dụng cụ đo: Ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị sử dụng đĩa cảm
ứng, như: điện kế, rơ le quá dòng…
Thiết bị điều khiển điện tử công suất: Việc điện áp bị méo có thể gây ra
trường hợp xác định điểm không để tính góc mở cho các khóa điện tử công suất bị sai,
làm cho mạch hoạt động không chính xác…
* Giới hạn về thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện.
Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn:
- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp:
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp
Điện áp tại điểm nối Nhiễu điện áp từng loại Nhiễu điện áp tổng
chung cộng các loại sóng sóng điều hòa(%)=
điều hòa THD (%)
≤ 69 KV 5,0 3,0
Trên 69 KV đến 161KV 2,5 1,5
Trên 161 KV 1,5 1,0
- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung (từ
120V đến 69KV) (tính theo % của Itải).
8
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện
h<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THD Tỷ số ngắn mạch(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 được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên
h: Bậc của sóng điều hòa
- IEC 1000-3-4 cho thiết bị có dòng đầu vào mỗi pha trên 75A
Bảng 1.3: IEC 1000-3-4
Bậc sóng điều Bậc sóng điều Giá trị (%) Giá trị (%)
hòa (n) hòa (n) chấp nhận. chấp nhận.
3 19 19 1,1
5 9,5 21 ≤0,6
7 6,5 23 0,9
9 3,8 25 0,8
11 3,1 27 ≤0,6
13 2,0 29 0,7
15 0,7 31 0,7
1.1.4. Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài
Nguồn tạo sóng hài trong hệ thống cung cấp điện được tạo ra bởi các tải phi
tuyến.
Các thiết bị điện tử công suất Các thiết bị điện tử công suất bản thân được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như Diot, 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 thường, để hạn chế sóng điều hòa bậc cao, người ta sử dụng các mạch chỉnh lưu cầu ba ghép lại với nhau thành bộ chỉnh lưu 12 xung
9
hoặc bộ chỉnh lưu 24 xung; tức là tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên. Tuy nhiên khi chọn giải pháp như vậy sẽ dẫn tới thiết bị cồng kềnh, tổn thất điện áp lớn…
*. Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển cung cấp cho một phụ
tải R-L nối tiếp có mô hình như hình 1.5:
Hình 1.5: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển
Hình 1.6: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1
pha không điều khiển
10
Hình 1.7: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần
*. Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển cung cấp cho một phụ
tải R-L nối tiếp có mô hình như hình 1.8:
Hình 1.8: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha không điều khiển
11
Hình 1.9: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu pha không điều khiển
Hình 1.10: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần
12
*. Để thấy được việc xuất hiện sóng hài không chỉ ở những thiết bị chỉnh lưu
không điều khiển mà còn có cả ở những thiết bị có điều khiển.
- Ta kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha có điều khiển cung cấp cho
một phụ tải R-L nối tiếp có mô hình như hình 1.11:
Hình 1.11: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển trực tiếp qua bộ
điều khiển PI
Dòng điện pha A của nguồn cung cấp điện cho phụ tải:
Hình 1.12: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu Thyristor
3 pha điều khiển trực tiếp
13
Dạng dòng điện pha A và phổ tần:
Hình 1.13: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần
- Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển PWM cung cấp cho
một phụ tải R-L-C nối tiếp có mô hình như hình 1.14:
Hình 1.14: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha điều khiển PWM
14
Khi đó, dòng điện iA và phổ dòng điện pha A có dạng:
Hình 1.15: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu
Thyristor 3 pha điều khiển PWM
\
Hình 1.16: Dạng dòng điện pha A phía nguồn và phổ tần
15
Ngoài ra còn có một số thiết khác gây ra sóng hài có thể kể đến:
Máy biến áp: Trong quá trình hoạt động, nếu máy biến áp lực xảy ra hiện
tượng 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 trường, sự bão hòa trong các mạch chính và
các đường dò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.
Đèn huỳnh quang: Đèn huỳnh quang được sử dụng rộng rãi trong đời sống,
tuy nhiên với loại đèn có dùng chấn lưu điện tử sẽ gây nhiễu ngược trở lại hệ thống
điện, gây ảnh hưởng tới các thiết bị điện khác trong sinh hoạt
Các thiết bị hồ quang: Thường các lò hồ quang công nghiệp, máy hàn…Khi
lò hồ quang làm việc thì biến thiên sóng điều hòa bậc cao đầu ra rất lớn.
1.2. Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn
Trạm 110kV-E13.2 Lạng Sơn đặt tại đường Nhị thanh- phường Tam thanh –
thành phố Lạng sơn với qui mô công suất 2 x40 MVA-115/35/22kV. Trạm được cấp
điện từ 3 nguồn: từ trạm 110kV Đồng Đăng E13.6 qua tuyến đường dây 110kV- lộ
174, từ nhà máy nhiệt điện Na Dương qua tuyến đường dây 110 kV- lộ 171&172, từ
TBA 110 kV Đồng mỏ E13.4 qua tuyến đường dây 110 kV – lộ 173. Trạm có 5 lộ
đường dây 22kV (gồm các lộ 471,472,473,474,476). Phía 35kV của trạm gồm 4 lộ (
373, 374,375, 376). Hiện tại trạm là nguồn cấp cho thành phố Lạng sơn qua các đường
dây 22kV (gồm các lộ 471,472,473,474,476).
16
Hình 1.17: Sơ đồ kết dây cơ bản lưới điện Thành phố Lạng Sơn
1.2.1. Lưới điện trung thế
- Tổng đường dây trung thế: 995,697 km.
- Đường dây 35kV: 868,37 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 853,15 km.
+ Tài sản khách hàng: 15,22 km.
- Đường dây 22kV: 127,33 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 116,49 km.
+ Tài sản khách hàng: 10,84 km.
- Cáp ngầm 35kV: 0,79 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 0,47 km.
+ Tài sản khách hàng: 0,32 km.
- Cáp ngầm 22kV: 6,01 km.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 2,456 km.
17
+ Tài sản khách hàng: 3,554km.
- Trạm biến áp: Tổng số: 812 TBA/812 Máy; S = 215.378,5 kVA.
- Trạm 35/0.4kV: 454 TBA/454 Máy; S = 92.550,5 kVA
Trong đó
+ Tài sản của Điện lực: 345 trạm/ 345 máy. S =59.194,5 kVA
+ Tài sản khách hàng: 109 trạm/ 109 máy. S = 33.356 kVA.
- Trạm 22/0.4kV: 358 trạm/ 358 máy. S = 122.828 kVA.
Trong đó:
+ Tài sản của Điện lực: 208 trạm/ 208máy. S = 77.795 kVA.
+ Tài sản khách hàng: 150 trạm/ 150 máy. S = 45.033 kVA .
- Tổng chiều dài đường dây 0.4kV: 1.853,67 km.
- Tổng số khách hàng: 96.820 Khách hàng.
Thống kê tình trạng mang tải của các đường dây trung thế khu vực thành phố
Lạng Sơn như sau:
Hình 1.18: Trạm 110KV Lạng Sơn
18
Bảng 1.4. Mang tải của đường dây trung thế sau trạm 110kV Lạng Sơn
Loại dây - tiết Pmax (MW) diện T Tên trạm 110kV
Chiều dài(km) Pmin (MW)
Trạm Lạng Sơn(E13.2) I
Lộ 373 AC-120, 95, 70, 1 19,5
50
4,2 614,51
2 Lộ 374 1,7 AC-120, 70, 50
0,5 16,59
3 Lộ 375 3,9 AC-70, 50
0,7 110,413
4 Lộ 376 2,4 AC-120, 95, 70,
50
0,5 126,536
5 Lộ 471 ASXV 120;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC-
7,6 70, 50
1,2 21,49
ASXV 120, 95;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC-
6 Lộ 472 6,3 120, 95, 70, 50
1,4 58,2
ASXV 120, 95;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC-
7 Lộ 473 120, 95, 70, 50 11,0
19
18,43 2,8
ASXV 120, 95;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC-
120, 70, 50 10,4 Lộ 474 8
14,383 2,7
ASXV 120, 95;
XLPE-3x120,
3x70, 3x50; AC-
120, 70, 50 4,9 Lộ 476 9
14,823 1,0
1.2.2. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Lạng Sơn trong một vài năm
gần đây
Theo thống kê, tổn thất điện năng của tỉnh từ năm 2015 đến nay thay đổi khác
nhau qua các năm tuỳ theo phương thức vận hành và sự phát triển của lưới điện 22kV.
Công ty Điện lực Lạng Sơn đã áp dụng nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng
như:
- Tính toán lựa chọn phương thức vận hành và điều độ tối ưu để đạt được mức
tổn thất thấp nhất.
- Cải tạo nâng tiết diện các đường dây trung thế đã cũ nát, tiết diện nhỏ, xây dựng
các đường dây trung thế mới có tiết diện lớn nhằm san tải cho các tuyến dây quá
tải.Cải tạo chuyển đổi dần lưới điện 10kV lên 22kV.- Tính toán và thực hiện việc bù
công suất phản kháng bằng các bộ tụ bù trên lưới 0,4kV; 22kV, yêu cầu tất cả các
khách hàng có trạm chuyên dùng thực hiện các biện pháp bù hạ thế để đảm bảo cos
> 0,9.
- Kiểm tra tình hình sử dụng điện của khách hàng để tránh các hiện tượng lấy cắp
điện, kiểm định thay thế công tơ định kì, thay thế công tơ cơ khí bằng công tơ điện tử,
kiểm tra và cân pha cho các đường dây hạ thế (Điện lực quản lí).
20
- Lắp đặt trạm biến áp với công suất hợp lí, hoán chuyển vị trí lắp đặt giữa các
MBA quá tải với các MBA đang non tải.
- Đã hoàn thành bàn giao lưới điện trung áp nông thôn cho ngành điện theo kế
hoạch của Bộ công thương.
Bảng 1.5. Tổn thất điện năng qua các năm của thành phố Lạng Sơn
Năm 2015 2016 2017 2018
Tổn thất Thành Phố 4,49% 4,15% 4,83% 4,31%
Lạng Sơn
1.2.3. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính toán
Tính toán phân bố công suất và tổn thất cho lưới điện trung thế
Mục đích của việc tính toán lưới điện hiện trạng là xác định phân bố công suất và
tổn thất về kĩ thuật trong lưới điện, kiểm tra khả năng mang tải cũng như các chỉ tiêu
kĩ thuật khác.
Để thực hiện công việc tính toán này cần phải tiến hành:
- Cập nhật chi tiết sơ đồ lưới điện hiện trạng, các thông số kỹ thuật của lưới điện
và phương thức vận hành của chúng.
- Công suất cực đại cực tiểu của các lộ xuất tuyến trung thế.
- Công suất cực đại tại thanh cái cao thế các trạm trung tâm cấp nguồn.
- Tính toán lưới điện hiện trạng được thực hiện toàn hệ thống ở chế độ phụ tải cực
đại để kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật và khả năng mang tải của lưới.
Bảng 1.6. Kết quả công suất các lộ trung thế
TT Tên trạm / tên lộ Điện áp Pmax Tổn thất Tổn thất Tổn thất
(kV) (MW) công suất điện năng điện áp
(%) (%) (%)
I Trạm 110 kV Lạng
Sơn
1 Lộ 373 35 19,5 6,62
2 Lộ 374 35 1,7 1,87
21
TT Tên trạm / tên lộ Điện áp Pmax Tổn thất Tổn thất Tổn thất
(kV) (MW) công suất điện năng điện áp
(%) (%) (%)
Lộ 375 3 35 3,9 2,93
Lộ 376 4 35 2,4 1,94
Lộ 471 5 22 7,6 2,24
Lộ 472 6 22 6,3 3,71
Lộ 473 7 22 11,0 2,08
Lộ 474 8 22 10,4 2,32
Lộ 476 9 22 4,9 2,00
Bảng 1.7. Tổn thất điện năng kỹ thuật qua các năm của TP Lạng Sơn
Năm 2015 2016 2017 2018
Tổn thất Thành Phố 3,26% 3,4% 3,5% 3,6%
Lạng Sơn
Từ kết quả tính toán chế độ lưới điện phân phối trung thế và hạ thế cho thấy các
trị số tính toán tổn thất kĩ thuật là tương đối phù hợp với các trị số thống kê từ thực tế
vận hành và phản ánh tương đối sát thực tình trạng vận hành hiện tại của lưới điện
thành phố Lạng Sơn.
1.2.4. Một số phụ tải phát sinh sóng hài lớn tại thành phố Lạng Sơn
- Hiện tại trên địa bàn Thành phố Lạng sơn hầu hết các công ty đều chưa có lắp
thiết bị lọc sóng hài.
- Công ty cổ phần xây lắp điện Lạng Sơn:
Đây là công ty sản xuất và kinh doanh nhiều lĩnh vực, trong đó có xưởng gia
công cơ khí; xử lý và tráng phủ kim loại. Với phụ tải có các máy gia công cơ khí có sử
dụng các bộ biến đổi công suất và các bể mạ, đây chính là các phụ tải gây ra sóng hài
lên lưới điện.
22
Hình 1.19: Hình ảnh công ty cổ phần xây lắp điện Lạng Sơn
- Công ty TNHH Bảo Long:
Đây là công ty chuyên sản xuất máy bơm nước, vì vậy trong công ty có các
xưởng đúc, lò hồ quang, bể mạ nên đây cũng là một trong những phụ tải gây ra sóng
hài cho lưới điện thành phố Lạng Sơn.
- Công ty cổ phần xi măng Lạng Sơn. Với một nhà máy sản xuất xi măng thì sẽ có rất nhiều loại phụ tải phát sinh
sóng hài như các động cơ trong các lò quay, các bộ chỉnh lưu cầu. Vì vậy, có thể nói
đây là một trong những phụ tải cần phải loại bỏ sóng hài để nâng cáo chất lượng điện
năng cung cấp cho khu vực thành phố Lạng Sơn.
Hình 1.20: Hình ảnh công ty cổ phần xi măng Lạng Sơn
23
Ngoài ra còn có nhiều công ty, nhà máy, xí nghiệp sản xuất tại thành phố Lạng
Sơn có phụ tải gây sóng hài như Công ty TNHH MTV, Công ty cấp thoát nước, v.v…
1.2.5. Giải pháp lọc sóng hài
Cho đến hiện nay, các phương pháp loại bỏ (lọc) sóng điều hòa bậc cao ra khỏi
hệ thống cung cấp điện vẫn đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Đã
có nhiều giải pháp mới để cải tiến các thiết bị lọc sóng hài bậc cao và đã thu được
những kết quả nhất định. Trong đề tài này tác giả sẽ đi thực hiện nghiên cứu giải pháp
sử dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài và bù công suất phản kháng nhằm nâng cao
chất lượng điện năng cung cấp cho phụ tải trong công nghiệp và dân sinh.
1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 đã giải quyết được những vấn đề sau:
- Nghiên cứu tìm hiểu được nguyên nhân gây ra sóng điều hoà bậc cao trên lưới
điện.
- Tổng quan về hệ thống cung cấp điện của thành phố Lạng Sơn và một số phụ
tải gây ra sóng hài tại thành phố Lạng Sơn.
- Đánh giá được tác động của sóng điều hoà bậc cao đến chất lượng của hệ thống
điện.
- Để cải thiện chất lượng điện năng thì cần phải lọc các thành phần dòng điều
hòa bậc cao và bù công suất phản kháng bằng bộ lọc tích cực.
Trong các phần tiếp theo của luận văn, cần xây dựng được cấu trúc điều khiển
sử dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng điều hòa bậc cao và bù công suất xuất phản
kháng.
24
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ
LỌC SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
2.1. Tổng quan bộ lọc tích cực
Bộ lọc tích cực là bộ lọc có sử dụng các thiết bị điện tử để xây dựng nguyên lý
lọc sóng hài. Trên cơ sở 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 như có nhiều ưu điểm và tính năng
vượt trội hơn.
2.1.1. 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. Trường hợp làm việc ở dải công suất lớn
thường dùng bù bằng SVC - đóng ngắt bằng thyristor (loại này có đáp ứng chậm
nhưng giá thành rẻ).
b. Bù sóng điều hòa bậc cao điện áp:
Bù điện áp không được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì nguồn thường có trở
kháng thấp và điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong phạm vi
giới hạn cơ bản đối với các sự cố tăng hoặc giảm áp. Vấn đề bù điện áp chỉ được xem
xét đến khi tải nhạy cảm với sự xuất hiện sóng điều hòa bậc cao điện áp trong lưới
nguồn như 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 lưới còn có tác dụng giảm độ méo dạng điện áp lưới tại điểm đấu dây
chung.
2.1.2. 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 cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất vừa
và nhỏ.
25
Tính chất của các hệ thống tải này đòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực tương 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 thường 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.
2.2. Phân loại bộ lọc tích cực
2.2.1. Bộ lọc tích cực song song
Đặc điểm của bộ lọc tích cực (Active Filter) song song (AFn), có thể thực hiện
đồng thời một số chức năng sau:
+ Bù sóng điều hòa bậc cao dòng điện;
+ Bù công suất phản kháng;
+ Bù thành phần dòng điện không cân bằng.
Nguồn
Bộ lọc tích cực song song có cấu trúc nguyên lý làm việc như hình 2.1:
IT
IL
Tải phi tuyến
IF
Bộ lọc tích cực
Hình 2.1: Bộ lọc tích cực song song
26
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 đường dây truyền tải nguồn điện, trả lại trên đường dây
truyền tải 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 lưới điện. Việc xác định vị trí đặt bộ
lọc cần phải được tính toán theo một số nguyên tắc sau:
- Giảm thiểu tối đa thời gian truyền, khoảng cách lan truyền của sóng điều hòa
trên đường 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 hưởng của sóng điều hòa tới thiết bị.
- Để thực hiện chức năng này bộ lọc tích cực hoạt động như một bộ nguồn ba pha
tạo dòng điện thích hợp bơm lên đường 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 ngược pha với tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao.
+ Thành phần bù công suất phản kháng (CSPK).
Ta có thể phân tích thành phần dòng tải thành hai thành phần:
Thành phần sóng điều hòa cơ bản iF và thành phần gồm các sóng điều hòa bậc
cao ih:
(2.1) iL= iF +ih
Do dòng của bộ lọc tích cực song song AFn bơm lên đường dây, nên ta có quan
hệ:
(2.2) iC= ih
Khi đó dòng điện trên đường dây sẽ là:
(2.3) iS= iL – iC = iL - ih = iF + ih -ih = iF
Như vậy, dòng điện trên đường dây chỉ chứa thành phần sóng điều hòa cơ bản,
các thành phần điều hòa bậc cao đã được bộ lọc loại bỏ (triệt tiêu).
Từ các biểu thức (2.1), (2.2) và (2.3) ta đưa ra được sơ đồ nguyên lý của bộ lọc
tích cực song song thể hiện như hình 2.2:
27
Hình 2.2: Cấu trúc bộ lọc tích cực song song
2.2.2. Bộ lọc tích cực nối tiếp
Bộ lọc tích cực nối tiếp (Active Filter - AFS), có thể thực hiện đồng thời một số
chức năng sau:
+ Bù sóng điều hòa bậc cao điện áp;
+ Điều chỉnh và cân bằng điện áp tại điểm kết nối.
Chức năng của bộ lọc tích cực nối tiếp AFS là triệt tiêu thành phần sóng điều hòa
bậc cao sinh bởi tải phi tuyến để điện áp trên đường dây truyền tải của nguồn điện có
dạng sin chuẩn. Ngoài ra, nó còn có chức năng điều chỉnh và cân bằng điện áp.
Ta có sơ đồ khối cấu trúc nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực nối tiếp như
Nguồn cấp
Tải phi tuyến
Bộ lọc tích cực
hình 2.3:
Hình 2.3: Bộ tíc cực nối tiếp
28
Để thực hiện các chức năng trên, bộ lọc tích cực nối tiếp AFS tạo ra sự cách ly về
sóng điều hòa bậc cao giữa tải và lưới thông qua việc tạo một điện áp tương ứng dọc
đường dây phía thứ cấp máy biến áp.
Ta có thể phân tích điện áp nguồn phía thứ cấp máy biến áp thành hai thành
phần: Thành phần sóng điều hòa điện áp cơ bản UF và thành phần các sóng điều hòa
điện áp bậc cao Uh như biểu thức (2.4):
US = UF + Uh (2.4)
Điện áp dọc đường dây do bộ lọc tích cực nối tiếp AFS tạo ra ngược pha với tổng
sóng điều hòa điện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần này, đảm bảo điện áp nguồn
cung cấp cho các phụ tải có dạng sin chuẩn (sóng điều hòa cơ bản).
Ta có sơ đồ nguyên lý làm việc được thể hiện như hình 2.4:
Uh
UF
Us
Us = Uh+UF
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý làm việc của AFS
2.2.3. Bộ lọc tích cực dựa theo nguồn cung cấp điện
Căn cứ vào nguồn cung cấp điện cho phụ tải, người ta chia bộ lọc tích cực thành
các loại:
- Bộ lọc tích cực 2 dây: Dùng cho loại phụ tải phi tuyến 01 pha.
- Bộ lọc tích cực 3 dây: Dùng cho loại phụ tải phi tuyến 3 pha không có dây
trung tính. Ta có sơ đồ nguyên lý sử dụng bộ lọc tích cực 3 dây cung với tải phi tyến
không có dây trung tính như hình 2.5:
29
Hình 2.5: Bộ lọc tích cực 3 dây
- Bộ lọc tích cực 4 dây: Có thể dùng cho tải phi tuyến 1 pha được cấp nguồn từ
hệ thống nguồn điện 4 dây hoặc cho tải phi tuyến ba pha. Trong hệ thống này, bộ lọc
tích cực sẽ loại bỏ sự quá dòng ở dây trung tính.
Bộ lọc tích cực 4 dây được chia làm 2 loại: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa
(hình 2.8) và bộ lọc tích cực 4 dây (hình 2.6). Cấu trúc bô lọc tích cực 4 dây có điểm
giữa thường được 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 lượng của tụ lớn hơn so với bộ lọc tích cực 4
dây.
Tải phi tuyến
Hình 2.6: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa
30
Tải phi tuyến
Hình 2.7: Bộ lọc tích cực 4 dây
2.2.4. Bộ lọc tích cực theo bộ biến đổi công suất
Căn cứ vào bộ biến đổi công suất trong bộ lọc ta có thể chia thành hai loại bộ lọc
tích cực: Cấu trúc kiểu VSI (Bộ biến đổi nguồn áp) và cấu trúc kiểu CSI (Bộ biến đổi
nguồn dòng).
- Cấu trúc bộ biến đổi nguồn áp VSI: Có thể mở rộng cấu trúc đa bậc. Ta có sơ
đồ cấu trúc như hình 2.8:
Hình 2.8: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn áp VSI
31
- Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn dòng CSI: Có tần số đóng cắt hạn chế,
tổn hao đóng cắt lớn, không thể mở rộng cấu trúc đa bậc. Ta có sơ đồ cấu trúc như
hình 2.9:
L
Hình 2.9: Cấu trúc bộ lọc kiểu bộ biến đổi nguồn dòng CSI
2.3. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực
Sơ đồ nguyên lý trao đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa bộ lọc
tích cực làm việc ở trạng thái bù công suất vào lưới thể hiện trên hình 2.10:
Trong đó:
Us và s: Điện áp lưới và góc lệch pha lưới.
Ui và i: Điện áp và góc lệch pha phát ra từ bộ lọc.
XL: Điện kháng kết nối giữa lưới và bộ lọc.
: Góc lệch pha giữa điện áp lưới và điện áp bộ lọc.
32
US
jβ
P
Q
US
XL
Ui
I
θi
θS
0
α
Ui
~
Hình 2.10: Nguyên lý bù công suất phản kháng của bộ bù tích cực
Ta có công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi giữa lưới (nguồn điện
cung cấp) và bộ bù được xác định theo biểu thức:
(2.5)
Nếu xét trong đó chế độ hoạt động chỉ bù công suất phản kháng thì = 0, do đó
ta có:
(2.6)
33
jβ
US
USi
I
Ui
θ
0
α
Hình 2.11: Trạng thái hấp thụ công suất của bộ lọc tích cực
Từ (2.6) ta thấy Qs tỉ lệ với hai điện áp ( US – Ui).
*. Khi US = Ui thì QS = 0 bộ lọc tích cực không phát hay thu công suất phản
kháng.
*. Khi US > Ui thì QS > 0 tồn tại thành phần điện áp USi tương ứng dòng cảm
kháng Id chậm sau US, Ui một góc 900, lưới sẽ truyền công suất phản kháng vào bộ lọc.
*. Khi US < Ui thì QS <0 tồn tại thành phần điện áp USi tương ứng dòng điện Ic
vượt trước US , Ui một góc 900 bộ lọc phát công suất phản kháng lên lưới điện.
jβ
US
Ui
θ
I
0
α
USi
Hình 2.12: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ lọc
34
Từ phân tích trên ta thấy rằng khi thay đổi biên độ điện áp đầu ra của bộ lọc tích
cực ở chế độ bù trong khi giữ góc lệch = 0 ta có thể điều khiển công suất phản kháng
trao đổi giữa lưới điện và bộ lọc.
2.4. Các thuật toán lọc tích cực
Việc lựa chọn thuật toán lọc tích cực phù hợp với yêu cầu đặt ra của hệ thống
cung cấp điện trong việc lọc sóng hài và bù công suất phản kháng là rất quan trọng.
Hiện nay, phần lớn các hướng nghiên cứu thường dựa trên các phương pháp cơ bản
sau đây:
2.4.1 Các thuật toán 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.
2.4.1.1 Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform)
Thuật toán của phương pháp này là biến đổi cho các tín hiệu rời rạc, kết quả của
phép phân tích đưa ra cả biên độ và pha của thành phần sóng điều hoà mong muốn
theo công thức sau:
(2.7)
Ta có thể viết dưới dạng sau:
(2.8)
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.
35
2.4.1.2 Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform)
Các bước thực hiện phương 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 2.13.
- Số lượng mấu trong một chu kỳ càng lớn thì giá trị fmax càng lớn.
Hình 2.13: Phương pháp FFT
- 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.
- Tổng hợp dòng bù từ các thành phần sóng điều hoà.
Ưu điểm của phương pháp FFT là có thể tác động tới từng thành phần sóng điều
hoà theo ý muốn nhưng có khối lượng tính toán lớn nhất.
2.4.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian
Phương pháp này dựa trên miền thời gian có ưu điểm hơn phương pháp dựa trên
miền tần số là khối lượng tính toán ít hơn. Theo lớp phương pháp này có một số
phương pháp như phương pháp trên khung toạ độ dq, phương pháp dựa trên thuyết
pq…
36
2.4.2.1. Phương pháp xác định dòng bù trong hệ dq
Theo phương pháp này có thể xác định toàn bộ dòng bù hoặc có thể lựa chọn
từng thành phần sóng điều hoà cần bù.
- Phương pháp xác định toàn bộ dòng bù: Phương 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 phương pháp:
Hình 2.14: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq
- 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 như thành phần dòng một chiều
và thành phần sóng điều hoà như 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.
Sau khi tính được dòng bù cần thiết trong hệ dq ta cần chuyển sang hệ toạ độ
chuẩn abc. Biến đổi từ hệ dq sang hệ abc như sau:
(2.9)
Phương pháp xác định từng thành phần sóng điều hoà cần bù: phương pháp này
dựa trên cơ sở phép quay khung tạo độ.
37
Điểm khác biệt so với phương 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 một chiều tương ứng với thành phần
sóng điều hòa cần tách và bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp ta có thể tách ra được
thành phần một chiều này. Sau đó chuyển sang khung tọa độ abc, sẽ xác định được
thành phần sóng điều hòa tương ứng.
Hình 2.15: Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ dq
Ưu điểm của phương pháp này là có thể tác động tới từng thành phần sóng điều
hòa bậc cao muốn lọc. Hình 2.15 thể hiện thuật toán của phương pháp này.
2.4.2.2 Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q
Theo [7, 10] các bước để xác định dòng bù cần thiết theo phương pháp này được
tiến hành như sau:
- Tính toán dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ vuông góc αβ từ hệ tọa độ abc:
+ Với hệ thống 3 pha có dây trung tính.
Công thức quy đổi điện áp được xác định theo biểu thức (2.10):
38
(2.10)
Mặt khác ta có công thức quy đổi dòng điện được xác định theo biểu thức (2.11):
(2.11)
+ Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính:
Công thức quy đổi điện áp:
(2.12)
Công thức quy đổi dòng điện:
(2.13)
39
Nguồn điện
Phụ tải
0
`
`
0
Bộ lọc tích cực
_ C
+
Hình 2.16: Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q
- Công suất tải được tính theo công thức:
pq.
(2.14)
- Công suất p, q có thể tách được ra thành 2 thành phần:
+ Thành phần một chiều , tương ứng với thành phần cơ bản của dòng tải.
+ Thành phần điều hòa bậc cao :
(2.15)
Khi đó, tổng công suất tức thời xác định bởi tải:
(2.16)
Trong đó:
p: thành phần công suất tác dụng của
q: thành phần công suất phản kháng của
40
Nguồn chỉ cung cấp thành phần công suất một chiều của tải và công suất tổn hao
của bộ nghịch lưu.
Mạch 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 mạch lọc:
(2.17)
và dòng cần bù:
(2.18)
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:
(2.19)
Từ công thức này, ta tính được dòng điện bù do bộ lọc sinh ra trong hệ tọa độ
abc:
(2.20)
Ưu điểm của phương pháp này là có thể lọc triệt để sóng hài và bù được công
suất phản kháng, khối lượng tính toán ít do thuật toán đơn giản, số lượng cảm biến đo
ít, loại bỏ được sự dao động của điện áp tụ C.
Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là điện áp tính toán yêu cầu phải sin và
cân bằng. Giải pháp để khắc phục hiện tượng điện áp lưới không sin hoặc mất cân
bằng có hai cách:
41
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 lưới trước khi đưa
vào tính toán.
2.5. Xây dựng cấu trúc điều khiển
Các thông số cần đo trong mạch là điện áp nguồn (u ,u ,u ), dòng điện nguồn
,i ,i ) và điện áp trên tụ của bộ lọc tich cực. (isa, isb, isc), dòng điện tải (i
Với các giá trị đo được ở trên sẽ được chuyển sang hệ tọa độ . Sau đó được
tính toán theo lý thuyết pq để tạo ra dòng điện bù từ bộ lọc tích cực. Dòng điện bù này
ngược với dòng tải để khử các thành phần sóng hài và bù công suất phản kháng. Việc
tính dòng điện bù theo lý thuyết p-q được thực hiện qua lưu đồ thuật toán hình 2.17.
Công suất p, q có thể tách thành hai thành phần:
+ Công suất tác dụng: .
+ Công suất tác dụng: .
Trong đó:
- Thành phần DC , tương ứng với thành phần cơ bản của dòng điện tải.
- Thành phần dao động AC tương ứng với thành phần điều hòa bậc cao.
Đo dòng điện tải, điện áp nguồn, dòng điện nguồn, điện áp tụ
Chuyển đổi trục tạo độ abc
Tính công suất p và q
Lọc thành phần p cơ bản
Tính toán dòng bù
Chuyển đổi trục tọa độ
abc
Hình 2.17: Lưu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q
42
Bộ lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất xoay chiều 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 cho phía tải và bộ lọc một công suất p0 để duy trì
điện áp trên tụ không đổi.
Từ đó ta có dòng bù cung cấp của mạch lọc sẽ là:
(2.21)
Từ dòng bù tính được trong hệ tọa độ ta tính được dòng điện cần bù trong hệ
abc.
(2.22)
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.
Vậy ta có cấu trúc điều khiển như hình:
Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực
43
Thiết kế bộ điều khiển dòng cho cho khối thuật toán điều khiển sử dụng phương pháp
thực nghiệm theo [3], ta có được bộ điều khiển dòng là khâu PI có tham số: Kp = 10 và
KI = 150.
2.6. Kết luận chương 2
Chương 2 đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Nghiên cứu về các vấn đề cơ bản của bộ lọc tích cực.
- Nghiên cứu và đưa ra được thuật toán thiết kế bộ lọc tích cực.
- Đưa ra được cấu trúc điều khiển cho hệ thống lưới điện phân phối sử dụng bộ
lọc tích cực có bù công suất phản kháng và bộ điều khiển dòng PI.
44
CHƯƠNG 3
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
3.1. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [5]
Trong chương này, tác giả sẽ thực hiện việc thiết lập mô hình mô phỏng hệ
thống cung cấp điện cho phụ tải phi tuyến phát sinh sóng hài với bộ lọc tích cực song
song sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab với chức năng Simulink. Để thiết lập mô
hình mô phỏng cần phải tạo ra các khối cơ bản sau:
- Khối nguồn xoay chiều 3 pha nối hình sao có dây trung tính nối đất.
- Khối bộ lọc tích cực (Chuyển đổi tọa độ, điều khiển,v.v…).
- Khâu tính toán độ méo dạng (THD).
- Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha.
- Khâu đo dòng điện, điện áp.
- Khối tải phi tuyến.
3.1.1. Khối nguồn xoay chiều 3 pha
Nguồn xoay chiều 3 pha đối xứng có giá trị hiệu dụng pha Up =220V, tần số
50Hz, giá trị góc pha của các pha a,b,c lệch nhau 1200 được mắc hình sao có dây trung
tính như hình 3.1.
`
Hình 3.1: Khối nguồn ba pha
3.1.2. Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI
Khối tải phi tuyến gồm 3 phần chính:
- Bộ biến đổi Thyristor với điều khiển trực tiếp qua bộ điều khiển PI.
- Bộ điều khiển dòng PI.
45
- Tải.
Khối tải được thể hiện trên hình 3.2:
Hình 3.2: Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI
3.1.3. Khối bộ lọc tích cực
Khối bộ lọc tích cực bào gồm những khâu chính sau:
- Bộ biến đổi.
- Mạch điều khiển.
- Khâu chuyển tọa độ.
- Khâu tính công suất pq.
- Khâu lọc thành phần cơ bản.
- Khâu tính toán bù pq.
- Khâu tính chuyển toạ độ αβ sang abc.
46
a) Bộ biến đổi:
Hình 3.3. Bộ biến đổi và thông số của bộ biến đổi
47
Mạch điều khiển:
Hình 3.4: Mạch điều khiển của bộ lọc
Khâu chuyển toạ độ
Như ta đã trình bày thuật toán chuyển đổi hệ tọa độ ở chương 2 và ta cần
chuyển đổi từ hệ tọa độ abc -> hệ tọa độ vuông góc αβ. Từ các biểu thức (2.12) và
(2.13), ta thực hiện chuyển đổi như sau:
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
- Y[1]=Xbeta = iβ hay uβ
Từ trên ta xây dựng được khâu chuyển đổi hệ tọa độ trong Matlab/Simulink
như hình 3.5:
48
Hình 3.5: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ
Khâu tính toán bù 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 (2.8).
Ngõ vào của khâu tính toán công suất là các tín hiệu dòng điện và điện áp được
chuyển đổi và xác định trong hệ toạ độ αβ từ hệ tọa độ abc như ở phần trên.
U[2]= Valpha = vα; U[3]= Vbeta = vβ; U[5]= Ialpha = iα; U[6]= Ibeta = iβ.
49
Hình 3.6: Khâu tính bù công suất PQ
Khâu lọc thành phần cơ bản:
Để lọc thành phần p cơ bản ta sử dụng bộ lọc thông thấp. Chức năng của bộ lọc
thông thấp là loại bỏ thành phần xoay chiều với các tần số khác nhau, chỉ giữ lại thành
phần một chiều.
Do sử dụng mạch lọc thông thấp, trong khi đại lượng cần thiết là thành phần
công suất xoay chiều . Nên ta sẽ lấy công suất p trừ cho thành phần DC để xác định
được thành phần xoay chiều .
pAC = p- pDC
Khâu tính toán dòng bù pq:
Các dòng điện yêu cầu icα , icβ được xác định từ công thức (3.13) với các ngõ vào
là các đại lượng điện áp trong hệ toạ độ αβ và các đại lượng công suất.
Ngõ vào của khâu tính toán dòng yêu cầu là các đại lượng 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 lượng :
- Y[1]= Ic alpha * ( tương ứng icα)
50
- Y[2]= Ic beta* ( tương ứng icβ)
Hình 3.7: Khâu tính toán dòng bù pq
Khâu tính chuyển toạ độ αβ sang abc:
Hình 3.8: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc
Dòng điện yêu cầu trong hệ toạ độ abc được xác định từ dòng điện yêu cầu
icα, icβ trong hệ toạ độ αβ. Từ công thức (2.21)
Ngõ vào của khâu tính toán dòng yêu cầu trong abc là các đại lượng sau:
- u[2]= Icα * ; u[3]= Icβ*
Ngõ ra của khâu tính toán dòng yêu cầu là các đại lượng:
- Y[1]= Ica * ; Y[2]= Icb * ; Y[3]= Icc *
51
Khâu tạo xung cho bộ biến đổi: Để thực hiện chức năng của bộ tạo xung SVM, ta thực hiện:
Hình 3.9: Khối SVM
Chọn vectơ điều chế:
Hình 3.10: Chọn các véc tơ
52
3.1.4 Khâu tính toán độ méo dạng (THD)
Hình 3.11: Khâu tính toán TDH và thông số của TDH
3.1.5 Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha
Hình 3.12: Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu dòng áp
53
3.1.6. Khâu đo dòng điện, điện áp
Hình 3.13: Khâu đo dòng điện, điện áp
3.2. Sơ đồ mô phỏng
Việc mô phỏng nhằm đánh giá thuật toán thiết kế các hệ điều khiển có vai trò rất
quan trọng. Nhờ có phương pháp này mà người thiết kế có thể mô phỏng và quan sát
được hoạt động của hệ thống như tính ổn định, bền vững ...
Mô phỏng cũng là công cụ giúp chúng ta có được những hình ảnh trực quan về
đối tượng 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
trước khi đưa vào ứng dụng hay những đối tượng nghiên cứu mà ta không có điều kiện
kiểm nghiệm trong thực tế.
Như vậy mô phỏng là bước 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 lượng 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.
Như ở trên ta đã xây dựng được các khối cơ bản của hệ thống mô phỏng từ
nguồn điện, tải phi tuyến cho đến bộ lọc tích cực dựa trên lý thuyết p-q đã được thực
hiện trên phầm mềm Matlab/Simulink. Để đánh giá chất lượng của bộ lọc tích cực ta
thực hiện ghép nối các khối mô phỏng lại để có được sơ đồ mô phỏng trong 02 trường
hợp là hệ thống lưới điện trước và sau khi có bộ lọc tích cực như hình 3.14 và hình
3.15.
54
Hình 3.14: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi
tuyến khi chưa có bộ lọc tích cực
Hình 3.15. Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới điện phân phối cho tải phi
tuyến khi có bộ lọc tích cực
55
3.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống
3.3.1 Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực
- Dạng dòng điện của tải phi tuyến: Thực hiện mô phỏng theo sơ đồ mô phỏng hình 3.14 ta được kết quả mô phỏng của đặc tính dòng điện phía nguồn cung cấp lưới điện phân phối cho phụ tải phi tuyến
như hình 3.16 và phân tích phổ các sóng hài như hình 3.17
Hình 3.16: Dạng dòng điện nguồn
Hình 3.17: Phân tích phổ và THD của dòng điện nguồn
56
Từ kết quả thu được sau khi mô phỏng, ta thấy:
- Dạng dòng điện phía nguồn cung cấp cho phụ tải phi tuyến không còn dạng
hình sin.
- Độ méo dạng dòng điện THD = 22.38%.
- Các sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) ảnh hưởng đến lưới điện là bậc: 3,
5,7,11,13,17,19. Tỉ lệ so với sóng điều hoà cơ bản (50Hz):
Bậc điều hòa Tỉ lệ %
3 0,04
5 19,7%
7 9,03%
11 4,47%
13 2,86%
17 1,35%
19 1,01%
Hình 3.18: Bảng số liệu phân tích phổ dòng điện nguồn pha A
57
- Biên độ của dòng điều hòa cơ bản Icb = 1682 A. - Công suất phản kháng trung bình Q = 1050 VAR.
- Hệ số công suất cosφ trung bình = 0,68
Nhận xét: Các thành phần sóng điều hòa bậc cao không đạt theo tiêu chuẩn IEC-
1000-3-4, hệ số công suất thấp và độ méo dạng dòng điện lớn.
3.3.2. Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực
Thực hiện mô phỏng với thông số bộ điều khiển đã được thiết kế theo phương pháp thực nghiệm ở chương 2 và tải được cung cấp bởi bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển, ta được:
Kết quả mô phỏng của đặc tính dòng điện 1 pha và 3 pha phía nguồn cung cấp
lưới điện phân phối cho phụ tải phi tuyến khi chưa có bộ lọc tích cực như hình 3.19ab và khi có bộ lọc như hình 3.20ab xét từ thời điểm bắt đầu đóng tụ bù (t = 0).
a)
Hình 3.19: a) Dạng dòng điện 1 pha khi chưa có bộ lọc tác động;
b) Dạng dòng điện 3 pha khi chưa có bộ lọc tác động
58
a)
b)
Hình 3.20: a) Dạng dòng điện 1 pha khi có bộ lọc tác động;
b) Dạng dòng điện 3 pha khi có bộ lọc tác động
- Dòng điện nguồn pha A trước và sau khi bộ lọc tích cực tác động tính từ thời
điểm từ 0,3s:
59
Hình 3.21: Dạng dòng điện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác động
- Dòng điện nguồn pha A phía nguồn khi có lọc tác động đã gần sin:
Hình 3.22: Dạng dòng điện khi có bộ lọc tác động xét tại thời điểm từ 0,4 đến 0,5s
60
- Phân tích phổ dòng điện nguồn pha A khi đã có tác động của bộ lọc:
Hình 3.23: Phân tích phổ của dòng điện pha A khi có bộ lọc tác động
- Công suất phản kháng trước và sau khi có bộ lọc.
Hình 3.24: Công suất phản kháng của hệ thống
61
- Hệ số công suất trước và sau khi có bộ lọc
Hình 3.25: Hệ số công suất cosφ
- Ngoài ra còn có các đáp ứng của công suất biểu kiến (công suất toàn phần),
điện áp Ud của hệ thống:
Hình 3.26: Đáp ứng công suất biểu kiến của hệ thống
62
``
Hình 3.27: Đáp ứng điện áp điều khiển Ud của hệ thống
3.3.3. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống
Từ kết quả mô phỏng thu được, ta phân tích phổ dòng điện nguồn cung cấp
pha A khi có bộ lọc cho thấy:
- Dòng điện nguồn giảm biến dạng đáng kể về gần dạng hình sin.
- Độ méo dạng dòng điện giảm rất nhiều, chỉ còn THD = 2,12%.
- Các sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) là bậc: 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19. Tỷ lệ so với
sóng điều hoà cơ bản còn rất nhỏ như trong dữ liệu hình :
Hình 3.28: Phân tích phần trăm phổ dòng điện nguồn pha A khi có bộ lọc
63
Bậc điều hòa Tỉ lệ %
3 0,19
5 1,13%
7 0,81%
11 0,84 %
13 0.65%
17 0,53%
19 0,52%
- Công suất phản kháng trung bình trước khi bù là 1050 VAR, sau khi bù công
suất phản kháng giảm đi nhiều, chỉ còn dao động quanh 380 VAR.
- Hệ số cosφ trước khi có bộ lọc tích cực trung bình là 0.68. Sau khi có bộ lọc
tích cực thực hiện chức năng bù, hệ số cosφ 0.98.
3.4. Kết luận chương 3
- Qua kết quả mô phỏng với hệ thống lưới phân phối điện cho các phụ tải phi
tuyến chưa sử dụng bộ lọc cho thấy nguồn điện có chất lượng kém thể hiện qua sự
biến dạng dòng điện nguồn cung cấp (hình 3.16) và qua phân tích phổ (hình 3.17, hình
3.18).
- Khi có sự tác động của bộ lọc tích cực chất lượng của hệ thống cung cấp điện
đã được cải thiện đáng kể đó là sự biến dạng của dòng điện nguồn đã được giả đáng kể
(hình 3.20, 3.21 và 3.22) và thể hiện qua phân tích phổ (hình 3.23 và hình 3.28). Ngoài
ra hệ thống đã bù được công suất phản kháng để nâng cos từ 0,68 lên 0,98 (hình
3.24 và hình 3.25) và các thông số khác đều được cải thiện chất lượng đáng kể.
64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Nhiệm vụ chính của luận văn là nghiên cứu bộ lọc tích cực và bù công suất
phản kháng cho lưới điện phân phối cung cấp nguồn cho các phụ tải phi tuyến trong
công nghiệp và dân dụng.
Với những nội dung đã trình bày qua 3 chương, luận văn đã đạt được những kết
quả nhất định, thể hiện ở những đặc điểm sau:
- Đã xây dựng được phương pháp điều khiển hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực
song song để loại bỏ sóng hài và bù công suất phát kháng nhằm nâng cao chất lượng
nguồn điện cung cấp trong lưới điện phân phối.
- Xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực trong
Matlab/Simulink.
- Qua kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng hệ thống khi có bộ lọc tích cực đã
được cải thiện một cách đáng kể thể hiện qua các đại lượng đặc trưng cho nguồn điện:
Dòng điện (loại bỏ được sóng hài); công suất phản kháng Q; hệ số công suất cos của
nguồn dưới tác động của bộ lọc.
Kiến nghị
Mặc dù luận văn có được những kết quả nhất định, song cần phải giải quyết
triệt để một số vấn đề còn tồn tại sau:
- Tổn hao của bộ nghịch lưu cũng chưa được xem xét, đây là một tồn tại cần
giải quyết nhằm nâng cao hiệu suất cũng như chất lượng bộ lọc.
- Chưa nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực cho các hệ thống lưới điện cao áp.
65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Trần Bách (2000), Lưới và Hệ thống điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.
[2]. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, Nhà
xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học và
Kỹ Thuật, Hà Nội.
[4]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung(2003), Lý thuyết
điều khiển phi tuyến, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[5]. Nguyễn Phùng Quang(2005), Matlab & Simulink, Nhà xuất bản Khoa học và
kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
[6]. David M.E. Ingram and Simon D. Round, A Fully Digital Hysteresis
Current Controller for an Active Power Filter, University of Canterbury -
New Zealand.
[7]. Emílio F. Couto, Júlio S. Martins, João L. Afonso, Similation, Results of a
shunt active with control base on p-q theory, University of Minho-
Portugal.
* * +
[8]. Edson H.Watanabe
, Maurício Aredes - Hirofumi Akagi , The P-Q
Theory For Active F i l t e r Control: S o m e Problems And Solutions, Federal
, Tokyo Institute of Technology –
* University of Rio de Janeiro – Brasil Japan+
[9]. H. Abaali, M. T. Lamchich, M. Raoufi, Shunt Power Active Filter Control
under Non Ideal Voltages Conditions, International Journal of Information
Technology Volume 2 Number 3
H. AKAGI, Modern active filters and traditional passive filters, Tokyo, Japan.
[10].
[11].
66
M.V. Aware, A.G. Kothari and S.S. Bhat, Power factor improvement using
[12].
active filter for unbalanced three-phase non-linear loads,
Visvesvaraya National Institute of Technology – India.
Mark McGranaghan, Active Filter Desi gn and specification for
[13].
Harmonics in Industrial and Ommercial Facilities , Electrotek
Concepts, Inc. Knoxville TN, USA.
Park KI-WON, A Review of Active Power Filters, R&D Center –POSCON.
[14].
Tan Perng Cheng, A Single - phase Hybrid Active Power Filter with
[15].
Photovoltaic Application, University Tecknology - Malaysia.
