Nghiên Cứu Lọc Tích Cực Trong Mạng Điện Phân Phối Có Xét Đến Điều Kiện Điện Áp Không Đối Xứng.doc

Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGHIÊN CỨU LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ
XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN ĐIỆN ÁP KHÔNG ĐỐI XỨNG
Họ và tên học viên: Đỗ Văn Bảy
Chuyên ngành: Kỹ Thuật điều khiển và Tự động hóa
Người hướng dẫn khoa học:PGS- TS. Ngô Đức Minh
THÁI NGUYÊN, NĂM 2017

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG ............................................................................... 3
Chương 1 ......................................................................................................................... 8
TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ................ 8
1.1 Tổng quan về sóng hài ............................................................................................... 8
1.1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 8
1.1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện ................................................ 12
1.1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao .......................................................................... 18
1.2 Tổng quan về công suất phản kháng ....................................................................... 21
1.2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 21
1.2.2 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng .................................................... 22
1.3 Kết luận chương 1 ................................................................................................... 23
Chương 2 ....................................................................................................................... 24
CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI ..................................................................... 24
2.1 Khái niệm lọc sóng hài ............................................................................................ 24
2.2 Các phương pháp lọc sóng hài ................................................................................ 24
2.2.1 Bộ lọc thụ động ................................................................................................ 24
2.2.2 Bộ lọc chủ động ................................................................................................ 26
2.3 Kết luận.................................................................................................................... 31
Chương 3 ....................................................................................................................... 32
LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP ................... 32
3.1 Mô hình hệ thống ..................................................................................................... 32
3.2 Tải phi tuyến ............................................................................................................ 33
3.3 Lọc tích cực AF ....................................................................................................... 36
3.4 Các phương pháp điều khiển lọc AF ....................................................................... 39
3.4.1 Cấu trúc hệ điều khiển ...................................................................................... 39
3.4.2 Các phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực ................................................... 41
3.5 Kết luận.................................................................................................................... 50
Chương 4 ....................................................................................................................... 51
THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO TẢI PHI TUYẾN ........................................... 51
4.1 Phân tích ảnh hưởng đến lưới điện của tải phi tuyến dạng bể mạ ........................... 51
4.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 51
4.1.2 Phân tích ảnh hưởng đến lưới của phụ tải bể mạ. ............................................ 54
2

4.1.3 Kết quả mô phỏng........................................................................................ 60
4.2 Xây dựng cấu trúc mạch lọc cho nguồn bể mạ ...................................................... 64
4.2.1 Xác định giá trị điện áp một chiều của nghịch lưu.......................................... 65
4.2.2 Xác định giá trị tụ điện C ................................................................................ 65
4.2.3 Xác định giá trị điện cảm L ............................................................................. 66
4.2.4 Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển................................................ 68
4.2.5 Khâu tạo xung cho bộ nghịch lưu.................................................................... 68
4.3 Mô phỏng hoạt động của bộ AF lọc với nguồn bể mạ ........................................... 72
4.3.1 Trường hợp điện áp lưới tại điểm kết nối là đối xứng................................. 72
4.3.2 Trường hợp điện áp tại điểm nối giữa mạch lọc và lưới là không đối xứng... 79
4.3.3 Nhận xét........................................................................................................... 83
4.4. Kết luận.................................................................................................................. 84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 84
3

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1. 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng....................................................... 8
Hình 1. 2 Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3 ......................................................... 8
Hình 1. 3 Phân tích Fn thành an và bn .......................................................................... 10
Hình 1. 4 Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha.................. 11
Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha........................................................ 13
Hình 1. 6 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển .......... 13
Hình 1. 7 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha.......................................................... 14
Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ............................. 14
Hình 1. 9 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ............ 14
Hình 1. 10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển ............................. 15
Hình 1. 11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển ................................. 15
Hình 1. 12 Dòng điện phía lưới và phân tích phổ khi = 300
................................... 16
................................... 16
................................... 17
................................... 18
Hình 1. 16 Quan hệ giưa các thành phần công suất trên đồ thị vectơ......................... 21
Bảng 1. 1 Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit)...................................... 20
Bảng 1. 2 Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current Distortion
Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV)........................................... 20
Bảng 1. 3 IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc)……………………………..20
Hình 2. 1 Bộ lọc RC...................................................................................................... 25
Hình 2. 2 Bộ lọc LC...................................................................................................... 25
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lưới kiểu song song .......................................... 27
Hình 2. 4 Mô tả nguyên lý hoạt động của AF song song ............................................. 28
Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp............................................. 29
Hình 2. 6 Nguyên lý hoạt động của AFs....................................................................... 29
Hình 2. 7 Bộ lọc kiểu lai............................................................................................... 30
Hình 2. 8 Bộ lọc UPQC................................................................................................ 30
Hình 3. 1 Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến.................................... 32
Hình 3. 2 Cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển............................................................... 33
Hình 3. 3 Cấu trúc mô phỏng tải chỉnh lưu cầu 3 pha................................................. 33
Hình 3. 4 Trị hiệu dụng điện áp lưới trước chỉnh lưu khi = 150
.............................. 34
Hình 3. 5 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi = 15độ........................ 34
Hình 3. 6 Phân tích sóng hài dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi = 150
.................. 35
Hình 3. 7 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi = 50độ........................ 35
Hình 3. 8 Phân tích sóng hài dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi = 50độ ............... 36
Hình 3. 9 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực ..................................................... 36
Hình 3. 10 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM................................................................. 37
Hình 3. 11 Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM..................................................... 38
Hình 3. 12 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ................................................................... 38
Hình 3. 13 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ................................................................... 39
Hình 3. 14 Cấu trúc điêu khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích
cực................................................................................................................................. 40

4

Hình 3. 15 Cấu trúc điêu khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích
cực................................................................................................................................. 40
Hình 3. 16 Phương pháp FFT ...................................................................................... 42
Hình 3. 17 Thuật toán xác định dòng bù trong khung tọa độ dq ................................. 43
Hình 3. 18 Thuật toán lựa chọn các sóng hài cần bù trong hệ dq ............................... 44
Hình 3. 19 Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời.................................... 47
Hình 3. 20 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực .......................... 49
Hình 4. 1 Sơ đồ hệ thống bể mạ ................................................................................... 52
Hình 4. 2 Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng ................................................................ 52
Hình 4. 3 Giải pháp bù sát cục bộ phụ tải.................................................................... 53
Hình 4. 4 Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ .................................................................... 54
Hình 4. 5 Mô hình hệ thống điêu khiển bể mạ.............................................................. 55
Hình 4. 6 Nguồn xoay chiều 3 pha ............................................................................... 55
Hình 4. 7 Mô hình mạch lực của tải phi tuyến ............................................................. 56
Hình 4. 8 Mô hình khâu điều áp xoay chiều 3 pha....................................................... 56
Hình 4. 9 Mô hình tải bể mạ......................................................................................... 57
Hình 4. 10 Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ ............................................ 57
Hình 4. 11 Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải ......................................................... 58
Hình 4. 12 Khối tính toán công suất............................................................................. 58
Hình 4. 13 Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha............................................ 59
Hình 4. 14 Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha................................................ 59
Hình 4. 15 Mô hình khối hiển thi tham số .................................................................... 59
Hình 4. 16 Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải ............................................................... 60
Hình 4. 17 Dòng điện phía nguồn cấp cho tải ............................................................. 60
Hình 4. 18 Dòng điện nguồn pha A.............................................................................. 60
Hình 4. 19 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=8 (V)............................ 61
Hình 4. 20 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=16 (V).......................... 61
Hình 4. 21 Phân tích sóng hài dòng điện nguồn pha A tại E=22 (V).......................... 61
Hình 4. 22 Thành phần điều hòa bậc 5 của dòng điện nguồn pha A........................... 63
Hình 4. 23 Thành phần điều hòa bậc 7 của dòng điện nguồn pha A........................... 63
Hình 4. 24 Hệ số công suất khi chưa có mạch lọc ....................................................... 64
Hình 4. 25 Dòng điện và điện áp nguồn pha A ............................................................ 64
Hình 4. 26 Sơ đồ nguyên lý mạch lực có sử dụng bù ................................................... 64
Hình 4. 27 Mô hình khối tính toán dòng bù chuẩn....................................................... 68
Hình 4. 28 Khối chuyển điện áp trong hệ abc sang αβ ................................................ 69
Hình 4. 29 Khối chuyển dòng trong hệ abc sang αβ .................................................... 69
Hình 4. 30 Khối tính toán công suất p,q....................................................................... 69
Hình 4. 31 Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ....................................... 70
Hình 4. 32 Khối tính toán công suất bù cung cáp bởi mạch lọc .................................. 70
Hình 4. 33 Khối tính toán dòng bù trong hệ αβ ........................................................... 70
Hình 4. 34 Khối tính toán dòng bù trong hệ abc.......................................................... 71
Hình 4. 35 Khối phát xung cho bộ nghịch lưu ............................................................. 71
Hình 4. 36 Mô hình mô phỏng AF cho tải bể mạ ......................................................... 72
Hình 4. 37 Điện áp nguồn ............................................................................................ 73
Hình 4. 38 Dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động ............................................. 73
Hình 4. 39 Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động................................... 73
5

Hình 4. 40 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=8 (V) khi mạch lọc tác động... 74
Hình 4. 41 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=16 (V) khi mạch lọc tác động .. 74
Hình 4. 42 Phân tích sóng hài dòng điện pha A tại E=22 (V) khi mạch lọc tác động . 74
Hình 4. 43 Thành phần sóng hài bậc 5 trước và sau khi mạch lọc tác động............... 76
Hình 4. 44 Thành phần sóng hài bậc 7 trước và sau khi mạch lọc tác động............... 76
Hình 4. 45 Công suất nguồn trước và sau khi mạch lọc tác động ............................... 76
Hình 4. 46 Công suất mạch lọc trước và sau khi tác động .......................................... 77
Hình 4. 47 Hệ số công suất sau khi mạch lọc tác động ............................................... 77
Hình 4. 48 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động..................... 77
Hình 4. 49 Phân tích FFT Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động .......... 78
Hình 4. 50 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động..................... 78
Hình 4. 51 Điện áp nguồn không đối xứng .................................................................. 79
Hình 4. 52 Dòng điện nguồn trong trường hợp điện áp nguồn không đối xứng.......... 79
Hình 4. 53 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A....................................................... 79
Hình 4. 54 Cấu trúc mạch PLL .................................................................................... 80
Hình 4. 55 Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù...................................................... 80
Hình 4. 56 Dòng điện nguồn sau khi lọc dùng PLL..................................................... 81
Hình 4. 57 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A....................................................... 81
Hình 4. 58 Nối ghép tụ của mạch lọc ........................................................................... 83
Bảng 4. 1 Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn....................... 62
Bảng 4. 2 Biến thiên dòng điện với các thành phần sóng hài...................................... 67
Bảng 4. 3 Giá trị các thành phần sóng hài trong dòng điện nguồn……………………..75
6

LỜI NÓI ĐẦU
Trong hệ thống điện, các nhà máy, xí nghiệp, liên doanh công nghiệp đã trở thành
những khách hàng chính (gọi là phụ tải công nghiệp) tiêu thụ phần lớn lượng điện năng
trong hệ thống điện. Các hoạt động sản xuất của phụ tải công nghiệp đòi hỏi chất lượng
điện năng cung cấp cao và đạt các chuẩn quốc tế. Đặc biệt, trong đó một chỉ tiêu quan
trọng là tiêu chuẩn về sóng hài – Được đề cập lần đầu tiên tại Việt Nam năm 2010 [1]
Trước đó, các tài liệu giảngdạy ở Việt nam chưa đề cập tiêu chuẩn sóng hài trong các chỉ
tiêu đánh giá điện năng. Có rất nhiều nguyên nhân phát sinh sóng hài trong hệ thống điện,
trong khi đó sóng hài trên lưới điện phân phối lại phần lớn do các thiết bị sản xuất công
nghiệp gây nên. Trong số đó phải kể đến các loại lò điện, các bể mạ điện, bể mạ…Mục
tiêu đề ra nhằm đạt được hiệu quả cao nhất là lọc bỏ sóng hài ngay tại nơi phát sinh, để
thực hiện điều này lại có nhiều giải pháp và phương thức thực hiện khác nhau [2-12]:
Dùng các bộ lọc thụ động kiểu LC có ưu điểm là đơn giản rễ lắp đạt và vận hành nhưng
kết quả không hoàn hảo: tần số lọc được là cố định phụ thuộc vào thông số thiết bị đã thiết
kế lắp đặt, tổn hao mất mát năng lượng nội bộ lớn. Thông thường các bộ lọc LC được thiết
kế cho lọc các hài bậc thấp 3, 5, 7 để lại trên lưới các các hài bậc cao mà trong nhiều
trường hợp các hài bậc cao trên 7 lại chiếm tỷ lệ đáng kể và tác hại của hài bậc cao đó
cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của hệ thống điện gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng
như gây sai số cho các thiết bị đo đếm trong các hệ thống bảo vệ, đo lường tự động hóa...
Giải pháp khác được đề xuất đó là sử dụng bộ lọc tích cực. Bộ lọc tích cực (AF), thực chất
là một máy phát bù sóng hài (thiết bị bù) có cấu trúc cơ bản như một nghịch lưu PWM
(đôi khi cũng gọi là chỉnh lưu tích cực) [3]. Đối với các sóng hài bậc cao AF thực hiện bù
không, nghĩa là phổ của các sóng hài có trên lưới và phổ của sóng hài do AF phát vào lưới
có phép cộng bằng không. Theo nguyên tắc này AF có thể được thiết kế lọc cho một số
hài cố định hoặc có thể lọc cho cả phổ sóng hài rất rộng và từ đây hình thành rất nhiều ý
tưởng khoa học cho mỗi hướng nghiên cứu về AF. Một cách hiểu thứ hai về chức năng bù
của AF là bù thiếu, bù thiếu được áp dụng cho việc bù công suất phản kháng thành phần
sóng hài cơ bản. Nghĩa là AF sẽ thực hiện chức năng phát công suất phản kháng vào lưới
nhằm mục đích nâng cao điện áp tại điểm kết nối. Tất nhiên, AF cũng có thể hấp thụ công
suất phản kháng để tránh quá áp khi cần thiết nhưng việc phân tích vấn đề này sẽ vượt quá
phạm vi nghiên cứu của đề tài. Trong khuôn khổ luận văn sẽ nghiên cứu bộ lọc tích cực
với hai chức năng đó là lọc sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng. Nội dung được
trình bày trong bốn chương:
Với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS. Ngô Đức Minh cùng với sự cố
gắng của bản thân em đã hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên, không tránh khỏi những
thiếu sót, em kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và đồng
nghiệp.
7

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1.1 Tổng quan về sóng hài
1.1.1 Giới thiệu chung
Hoạt động của hệ thống điện đó là một quá trình cân bằng giữa tổng công suất
phát và công suất thu. Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủ đạo là các
nhà máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần số cơ bản 50Hz (hoặc
(60) Hz đối với một số nước như Mỹ, Nhật...). Ngược lại, thu công suất thuộc về phía
hộ tiêu thụ hay còn gọi là tải với nhiều loại hình khác nhau là nguyên nhân dẫn đến sự
xuất hiện các thành phần không sin trong hệ thống điện. Nói một cách khác là các sóng
hài bậc cao (bội số của tần số cơ bản) được sinh ra ngoài mong muốn.
Theo phân tích Fourier, một sóng dòng điện hay điện áp hình sin khi bị méo dạng
tương đương với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, còn lại là các thành phần
sóng hài bậc cao. Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ thuộc vào độ méo dạng so với
ban đầu. Hiện nay các sóng hài bậc cao được nhiều người đặt cho tên gọi là sóng hài.
Hình 1. 1 Dạng sóng sin chuẩn và sin bị méo dạng
400
h1,
h2,h3
200
0
Song
hai
-200
-4000 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
Time (s)
Hình 1. 2 Sóng cơ bản và các sóng hài h1, h2, h3
8

Trong hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện hay điện áp các pha bị méo dạng và
các sóng hài bậc lẻ có thể phân biệt thành các thành thành phần thứ tự thuận, nghịch,
không:
 Thành phần thứ tự thuận gồm: các sóng hài bậc h1, h7, h10…
400
h1,
h7,h10
200
dien
ap
0
S
o
n
g
-200
-4000 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
Time (s)
 Thành phần thứ tự nghịch gồm: các sóng hài bậc h2, h8, h11
400
h1
1
200
h2,
h8,
0
dien
ap
-200
S
on
g
-4000 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
Time (s)
Thành phần thứ tự không gồm: các sóng hài bậc h3, 9, 12
400
h3,
h9,h12
200
dien
áp
0
Song
-200
-4000 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
Time (s)
9

Một sóng hài với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) hay ω=2πf (rad/s) có thể
phân tích chuỗi Furier được như sau:
a
0

fωt= +Fn sinnωt+ψn (1.1)
2 n=1
Trong đó:
a
20
: giá trị trung bình
Fn : biên độ của sóng hài bậc n trong chuỗi Fourier
Fsin
ωt+ψ
: thành phần sóng cơ bản
1 1
Fn sinnωt+ψn: thành phần sóng hài bậc n
ψn : góc pha của sóng hài bậc n
Từ (1.1) có thể viết thành:
Fn sinnωt+ψn=Fn (sinnωt.cosψn +sinψn .cosnωt)
Nếu quy ước:
Fn sinψ n =bn Fn cosψ n =an
Im
Fn
bn
n
an Re
Hình 1. 3 Phân tích Fn thành an và bn
Từ đó có thể viết được như sau:
a0
 
fωt= + a n cosnωt+b n sinnωt (1.2)
2 n=1 n=1
Hay có thể viết (1.2) dưới dạng sau:
10

a 0
  2πnt  2πnt 
fωt= +

a
n
cos
 +b n sin  (1.3)
2 T
n=1   T  
Ví dụ: Dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha có thể được phân tích thành phổ các
thành phần sóng hài bằng FFT trong Matlab như hình 1.4
FFT window: 5 of 40 cycles of selected signal
50
0
-50
0.4 0.42 0.44 0.46 0.48
Time (s)
Fundamental (50Hz) = 50.8 , THD= 15.22%
14
of
Fundamental)
12
10
8
6
(%
4
Mag
2
0
50 100 150 200
0
Frequency (Hz)
Hình 1. 4 Phân tích phổ của sóng hài dòng điện sau chỉnh lưu cầu 3 pha
Theo thông tư 32 /2010/TT-BCT Của Bộ Công thương đã áp dụng tiêu chuẩn
sóng hài 519 của IEEE cho tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện năng của Việt nam. Đó
là hệ số méo dạng THD:

Xn
2
THD= n=2
(1.4)
X1
Trong đó:
X1 là biên độ thành phần cơ bản
Xn là biên độ thành phần điều hòa bậc n
Từ (1.4) được triển khai áp dụng để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp:
 Hệ số méo dạng dòng điện
11


I2
n
THD= n=2
I1
2
Trong đó :
I1 là biên độ thành phần dòng cơ bản
In là biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n
Hệ số méo dạng điện áp

U2
n
THD= n=2
U1
2
Trong đó :
U1 là biên độ thành phần điện áp cơ bản
Un là biên độ thành phần áp điều hòa bậc n
1.1.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện
Các sóng hài trong công nghiệp chủ yếu được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến.
Các phần tử phi tuyến điển hình là quộn dây của máy biến áp, động cơ làm việc ở chế
độ bão hòa mạch từ, các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ
biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, máy hàn, các
hệ truyền động điện…
1. Máy biến áp
Hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp lực có thể sinh ra sóng hài bậc
cao. Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng không tuyến tính trong
đường cong B-H sẽ dẫn đến dòng điện từ bị méo và có chứa các sóng hài bậc cao.
2. Động cơ
Các sóng hài bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới
các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato. Các máy điện đồng
bộ có thể sản sinh ra sóng hài bậc cao bởi biến dạng từ trường, sự bão hòa trong các
mạch chính và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.
12

3. Thiết bị điện tử công suất
Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay
chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET,
IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến gây sóng hài bậc cao.
Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng hài sinh ra khác nhau. Các
mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản,
rẻ, chắc chắn nhưng sản sinh nhiều sóng hài. Để giảm bớt sóng hài có thể dùng hai mạch
chỉnh lưu cầu ba pha ghép lai với nhau tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh
lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung.
Ví dụ sóng hài gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:
- Chỉnh lưu cầu một pha: Giả sử xét với tải có tính cảm
D1 D3
Ia
Load
D4 D6
Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha
Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu:
40
(A)
20
Curre
nt
0
-20
-400 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
Hình 1. 6Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển
13

Hình 1. 7 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha
- Chỉnh lưu cầu ba pha: các van bán dẫn có thể là GTO, diode, thyristor…
Trường hợp chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:
Ia D1 D3 D5
Load
D4 D6 D2
Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lưu:
100
(A)
50
Current
0
-50
-1000 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
Time (s)
Hình 1. 9 Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
14

Hình 1. 10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn THD=28,52
%. Các thành phần sóng hài này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra.
Trong đó các thành phần sóng hài bậc 5, 7, 11 là chủ yếu.
Đối với bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển, Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu
ba pha có điều khiển như hình 1.11. Các kết quả mô phỏng cho ảnh hưởng đến dòng
phía nguồn (đầu vào chỉnh lưu) như sau:
Ia T1 T3 T5
Load
T4 T6 T2
Hình 1. 11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển
Ứng ứng góc điều khiển là = 300
dòng điện phía lưới được mô phỏng kèm theo
phân tích FFT bằng Matlab như hình 1.12
15

16

17

Từ phân tích ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha ta thấy khi thay đổi, góc góc điều
khiển tăng thì các thành phần sóng hài bậc cao sinh ra càng lớn làm độ méo dòng điện
càng tăng.
- Các đèn huỳnh quang.
Ngày nay các đèn huỳnh quang được sử dụng rộng rãi do có ưu điểm là tiết kiệm
được chi phí. Tuy nhiên sóng hài bậc cao sinh ra bởi đèn huỳnh quang cũng rất lớn.
- Các thiết bị hồ quang.
Các thiết bị thường gặp trong hệ thống điện là các lò hồ quang công nghiệp. Theo
thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng hài bậc cao đầu ra biến thiên rất lớn ví
dụ như sóng hài bậc 5 là 8% khi bắt đầu nóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và
2% của giai đoạn cơ bản trong suốt thời gian tinh luyện.
1.1.3 Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao
Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền
tải điện. Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng. Nói chung
chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách điện, làm tăng
18

tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn
gây hỏng thiết bị.
Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài 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
T 
U
RMS
=
u(t) 2
dt = U n
2
= U 0
2
+U1
2
+U 2
2
+...
T
0 n=0
T
1

I
RMS
=
i(t)2
dt = In
2
= I0
2
+I1
2
+I2
2
+...
T
0 n=0
Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hay điện áp tăng do
sóng hài bậc cao sẽ gây ra một số vấn đề:
- Tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện. Gây ảnh hưởng đến độ bền cách
điện của vật liệu
- Giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện.
- Các sóng hài bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt
làm tăng nhiệt độ máy biến áp và tăng tổn thất điện năng.
- Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo momen, giảm hiệu suất
máy, gây tiếng ồn, các sóng hài bậc cao còn có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc
gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ.
- Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ ( tác động sai): các sóng
hài bậc cao có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nháy, tác
động ngược, có thể làm méo dạng điện áp, dòng điện dẫn đến thời điểm tác động của
rơle sai lệch.
- Với các thiết bị đo: ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo
bị sai lệch.
- Với tụ điện: làm cho tụ bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới
phá hủy chất điện môi.
- Các sóng hài bậc cao còn làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập
chờn.
19

- Gây ảnh hưởng tới các thiết bị viễn thông : các sóng hài bậc cao có thể gây sóng
điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng.
Với những tác hại như vậy việc quy định một tiêu chuẩn thống nhất về các thành
phần sóng hài bậc cao trên lưới cần được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của chúng tới
các thiết bị tiêu dùng điện khác và đảm bảo chất lượng điện năng. Vì vậy, Việt Nam đã
áp dụng tiêu chuẩn 519 của IEEE và 1000-4-3 của IEC về giới hạn thành phần sóng hài
bậc cao trên lưới. Cụ thể như sau:
Bảng 1. 1 Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit)
(IEEE std 519, Recommend Practices for Utilities)
Điện áp tại điểm nối chung Nhiễu điện áp từng Nhiễu điện áp tổng cộng
(Point Common Couping
loại sóng hài (%)=
Uh các loại sóng hài THD
PCC)
U1
(%)
69 KV và thấp hơn 3,0 5,0
Trên 69 KV tới 161 KV 1,5 2,5
Trên 161 KV 1,0 1,5
Bảng 1. 2 Giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung(Current Distortion
Limits for General Distribution System) (120V tới 69KV)
(IEEE std 519, Recommend Practices for Individual Comsumer)
Nhiễu dòng điện tối đa(% của Itải )(max.Harmonic Current Distortion)
Tỷ số ngắn
mạch (SCR=I SC
/ Itải ) h<11 11<=h<1 17<=h<2 23<=h<3 35<=h THD
7 3 5
<20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0
20 tới 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0
50 tới100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0
100 tới1000 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 trên
h : bậc của sóng hài
20

Bảng 1. 3 IEC 1000-3-4 (quy phạm, có tính chất bắt buộc)
(Cho thiết bị trên 75A dòng đầu vào mỗi pha)
Dòng điều hoà có thể Bậc sóng hài Dòng điều hoà có thể
Bậc sóng
chấp nhận được In (%)
(n)
chấp nhận được In (%)
hài (n)
I1 I1
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
1.2 Tổng quan về công suất phản kháng
Công suất biểu kiến S trong mạng điện xoay chiều gồm hai thành phần có liên hệ
với nhau qua biểu thức (1.2) và đồ thị vectơ biểu diễn trên hình 1.16:
S = P + jQ
hay S P2
 Q2
Hình 1. 16 Quan hệ giưa các thành phần công suất trên đồ thị vectơ
Trong đó:
- P là công suất tác dụng được biến thành công hữu ích như cơ năng, quang năng,
nhiệt năng…
- Q là công suất để từ hoá và tạo ra từ thông tản trong các máy điện xoay chiều,
nó không sinh công. Quá trình chao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện và
hộ dùng điện là một quá trình dao động. Mỗi chu kì của dòng điện, Q đổi chiều 4 lần,
cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không đòi hỏi tiêu tốn năng lượng của động
cơ sơ cấp kéo máy phát điện. Mặt khác công suất phản kháng cung cấp cho các hộ
dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn điện. Vì vậy, để tránh truyền tải một
lượng Q khá lớn, người ta đặt gần hộ tiêu thụ điện các thiết bị phát ra công suất phản
kháng (tụ điện tĩnh, máy bù đồng bộ) để cung cấp trực tiếp cho phụ tải, làm như vậy
được gọi là bù công suất phản kháng. Khi có bù công suất phản
21

kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch nhỏ đi tương ứng cos
của mạng được nâng lên.
Giữa P, Q, cos có quan hệ với nhau theo biểu thức tính góc:
 arctg Q hay Cos P . (1.1)
P S
Khi lượng P không thay đổi, nhờ có bù công suất phản kháng, lượng Q truyền tải
trong mạng điện được bù sẽ giảm xuống do đó góc giảm xuống, tức là cos tăng lên.
1.2.2 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng
 Giảm tổn thất công suấtP trong mạng điện:
P
P2
Q2
R
P2
R
Q2
RP(P)P(Q)
U2
U2
U2
Khi giảm được Q truyền tải trên đường dây thì sẽ giảm được thành phần tổn thất
công suất do công suất phản kháng gây ra,P(Q).
 Giảm được tổn thất điện ápU trong mạng:
Biểu thức tính tổn thất điện áp được tính như sau:
U
PRQX

P
R
Q
XU(P)U(Q)
U U U
khi giảm được Q truyền tải trên đường dây (trong mạng) sẽ giảm được thành
phần tổn thất điện áp do công suất phản kháng gây nên,U(Q).
 Tăng được khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp
Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát
nóng, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Trong khi đó dòng điện
chạy trên đường dây và máy biến áp được tính như sau:
I S
 P2  Q2
3.U 3.U
chứng tỏ rằng, với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây hay máy
biến áp, ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P của mạng bằng cách
22

giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải truyền tải. Vì thế khi vẫn giữ nguyên
đường dây hay máy biến áp, nếu cos của mạng được nâng cao thì khả năng truyền tải
của đường dây hay máy biến áp sẽ được tăng lên.
1.3 Kết luận chương 1
Như vậy để cải thiện chất lượng điện năng, đề tài chọn hướng nghiên cứu nhằm
loại trừ các sóng hài và bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối, ngay tại
các xí nghiệp công nghiệp là nơi xa nguồn cung cấp đồng thời cũng là nơi có nhiều
nguồn phát sinh sóng hài sẽ mang lại hiệu quả cao nhất cho giải pháp. Trong phần tiếp
theo sẽ nghiên cứu xây dựng một cấu trúc thực hiện được cả hai chức năng: lọc sóng
hài và bù công suất phản kháng tại điểm kết nối.
23

Chương 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG
HÀI 2.1 Khái niệm lọc sóng hài
Nguyên tắc làm việc của một bộ lọc sóng hài lý tưởng đó là là tạo ra được một
tổng trở có giá trị vô cùng nhỏ đối với tần số cần lọc, đồng thời lại có giá trị vô cùng
lớn với tần số hữu ích. Tuy nhiên trong thực tế bộ lọc có thể được thiết kế có dải thông
hẹp hay rộng khác nhau tùy theo yêu cầu cụ thể. Có nhiều cấu trúc và nguyên lý làm
việc hay điều khiển để đạt được mục tiêu này.
2.2 Các phương pháp lọc sóng hài
Theo nguyên lý làm việc, có hai loại bộ lọc cơ bản là:
1- Bộ lọc chủ động (ative filters)
2- Bộ lọc thụ động (passive filters)
3- Kết hợp ưu điểm của hai loại trên ta có bộ lọc hỗn hợp
2.2.1 Bộ lọc thụ động
Các phần tử chính tham gia cấu tạo nên bộ lọc thụ động bao gồm các phần tử tĩnh
R, L, C. Tùy theo số phần tử và cách đấu nối sẽ có được các cấu trúc bộ lọc khác nhau,
dải thông theo yêu cầu.
Trong sơ đồ lọc ba pha có hai loại bộ lọc là bộ lọc RC và bộ lọc LC. Trong cả hai
loại bộ lọc này đều có tụ điện, tụ điện có thể mắc hình tam giác hoặc hình sao.
- Khi tụ điện hình đấu sao có ưu điểm là tiết kiệm dung lượng tụ, nhưng không
lọc được hết sóng hài điện áp dây.
- Khi tụ điện đấu hình tam giác có dung lượng tăng lên 3 lần, lọc được sóng hài
cả điện áp dây và điện áp pha và đặc biệt trong mạng có trung tính thì có thể lọc được
cả thành phần thứ tự không do chuyển mạch van bán dẫn sinh ra.
24

1. Bộ lọc RC
Cấu trúc của bộ lọc RC như hình 2.1
R
Input Output
C
Hình 2. 1 Bộ lọc RC

Ưu điểm:


- Bộ lọc RC là loại bộ lọc đơn giản nhất, giá thành rẻ
- Vận hành ổn định

Nhược điểm:


- Có tổn hao trên điện trở, tổn hao này càng lớn khi công suất lớn
- Khả năng chọn lọc tần số kém
2. Bộ lọc LC
Cấu trúc của bộ lọc LC như hình 2.2
L
Input Output
C
Hình 2. 2 Bộ lọc LC
25


Ưu điểm:


- Tổn thất công suất nhỏ,
- có khả năng thiết kế lọc được nhiều tần số theo ý muốn.

Nhược điểm


- Giá thành đắt, sự vận hành của mạch kém tin cậy hơn mạch lọc RC do trong
mạch có cuộn cảm.
- Gây nhiễu cho các thiết bị thông tin.
- Có thể xuất hiện hiện tượng cộng hưởng không mong muốn làm tăng dòng và
áp dẫn đến hỏng thiết bị.
- Tần số lọc có ảnh hưởng đến hệ số phẩm chất và đáp tuyến lọc.
- khi điện cảm cuộn dây lớn thì làm tăng kích thước của chúng dẫn đến làm tăng
kích thước bộ lọc đồng thời làm tăng giá thành bộ lọc.
2.2.2 Bộ lọc chủ động
Nguyên lý hoạt động của một bộ lọc chủ động hay còn gọi là lọc tích cực, (tiếng
Anh là Active filter – viết tắt là AF) tương đương như một máy phát sóng hài, phát vào
lưới những sóng hài có hình dạng giống hệt các sóng hài cần lọc nhưng ngược pha sao
cho xếp chồng sóng hài cần lọc và sóng hài do bộ lọc phát ra đạt được giá trị tổng bằng
không (zero). Đối với lọc thụ động chỉ lọc được sóng hài có tần số cố định theo tính
toán tần số lọc, thì lọc tích cực lại có thể lọc được đồng thời nhiều sóng hài, thậm chí
lọc cả phổ rộng gồm nhiều sóng hài không cố định tùy theo thiết kế cấu trúc bộ lọc.
Đến nay, Lọc tích cực được nghiên cứu và phát triển rất rộng rãi, về cơ bản có thể
được phân loại như sau:
26

2.2.2.1. Phân loại lọc tích cực theo cách kết nối lưới

AF song song:

AF song song có sơ đồ kết nối như hình 2.2. Về cấu trúc cơ bản như một bộ biến
đổi nguồn áp (VSC) gồm những phần tử chính: Tụ điện Cdc đại diện cho khối một; một
bộ biến đổi công suất 3 pha có điện cảm lọc Lf .
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lưới kiểu song song
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: AF hoạt động như một nguồn ba pha bơm lên
đường dây dòng iAF ngược pha với dòng sóng hài tổng iload do tải gây nên và sẽ triệt
tiêu các sóng hài này, đảm bảo cho dòng điện lưới iline có dạng sin chuẩn (không bị
méo dạng).
Ví dụ: Xét mạng điện có tải công nghiệp sử dụng bộ biến đổi làm việc với các
van thyristor:
- Dòng tải iload có dạng sóng điều hòa vuông góc, hình 2.3a
- AF sẽ đo và tính toán rồi phát lên lưới dòng điều hòa iAF, hình 2.3b
- Kết quả dòng iline trên lưới phía nguồn có dạng sin chuẩn, hình 2.3c
27

Hình 2. 4 Mô tả nguyên lý hoạt động của AF song song
Dòng điện tải có thể được khai triển thành tổng của một thành phần dòng điện cơ
bản và một thành phần sóng điều hòa (chứa các hài bậc cao) theo biểu thức sau:
  
iload iload ,1 iload ,h
AF đo được và bơm lên lưới một sóng điều hòa tương ứng:
 
i AF iload ,h
28

Kết quả, các sóng hài do tải gây nên đã được AF loại khử hết. Hay hiểu một cách
khác là: tại điểm kết nối lưới, các sóng hài do tải phát sinh được đáp ứng hoàn toàn bởi
phía AF, còn lại thành phần sóng dòng điện cơ bản được đáp ứng bở phía nguồn (lưới).

i  
i load i AF

i load ,1

AF nối tiếp (AFs)

AFs có cấu hình cũng giống như AF. Sự khác nhau ở cách đấu nối với đường
dây. AFs đấu nối tiếp vào đường dây qua máy biến áp như sơ đồ hình 2.4. Trong đó,
cuộn dây thứ cấp máy biến đóng vai trò cuộn cảm của bộ biến đổi 3 pha. Đó là lưu ý
rất quan trọng cho việc tính toán thiết kế máy biến áp trong trường hợp này.
Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: AFs đóng vai trò tương tực như AF, điều khác
nhau ở chỗ là điểm kết nối không liên hệ trực tiếp về điện mà thông qua liên hệ điện từ
bởi máy biến áp đã mở rộng phạm vi áp dụng lọc tích cực cho các lưới điện áp cao. Tại
điểm kết nối VAF, AFs tạo ra tổng trở đường dây tương đương. Nếu nhìn từ phía tải,
tổng trở này bằng không với sóng cơ bản và bằng vô cùng với các sóng hài. Như vậy,
giữa nguồn và tải có sự cách ly về sóng hài. Điều này có thể được mính họa bằng các
sơ đồ thay thến trên hình 2.5
Hình 2. 6 Nguyên lý hoạt động của AFs
a)Mạch điên thay thế 1 pha, b) Mạch điện với sóng cơ bản,c) Mạch điện tần cao
29


bộ lọc kiểu lai (Hybrid Filter)

Bộ lọc kiểu lai là sự kết hợp của AF hoặc AFs với bộ lọc thụ động nhằm giảm chi
phí đầu tư ban đầu và cải thiện hiệu quả của các bộ lọc động. Khi đó, lọc thụ động
được thiết kế cho lọc các sóng hài cố định, bậc thấp (công suất lớn), lọc tích cực được
thiết kế cho lọc các sóng hài động. Mô hình này rất thích hợp cho các tải phi tuyến
công suất lớn có điều khiển. Sơ đồ nguyên lý như hình 2.6
Hình 2. 7 Bộ lọc kiểu lai

Bộ lọc hỗn hợp (UPQC)

Bộ lọc hỗn hợp UPQC được tổ hợp từ AF và AFs
Hình 2. 8 Bộ lọc UPQC
Mô hình UPQC khai thác được các tính năng riêng biệt và ưu điểm của mỗi
thành phần: AFs có chức năng cách ly song hài giữa tải và nguồn, điều chỉnh điện áp,
giảm dao động, giữ điện áp cân bằng. AF Được xem như nguồn cấp sóng hài cho tải
phi tuyến. Trong khi đó AFs lại cố gắng cô lập và cach ly sóng hài giữa tải với phía
lưới, hạn chế giao động ổn định điện áp cho lưới.
Nhận xét
Như vậy chất lượng điện năng, tổn thất công suất, hệ số công suất cosφ trong mạng
điện truyền tải và trong mạng điện phân phối đã được cải thiện đáng kể nhờ các giải pháp
nêu trên. Tuy nhiên nhờ sự phát triển ngành điện tử công suất và các thế hệ vi xử
30

lý tốc độ cao nên giải pháp triệt tiêu sóng hài và bù công suất phản kháng mang lại hiệu
quả cao nhất và đặc biệt bộ lọc động song song (AF) cho chất lượng dòng lưới chỉ có
thành phần cơ bản do đó sẽ là đối tượng chính được nghiên cứu trong các phần tiếp theo.
Dựa trên nền tảng là các bộ biến đổi điện tử công suất lớn do đó bộ lọc chủ động
có nguyên lý làm việc khác bộ lọc thụ động cũng như có nhiều ưu điểm và tính năng
hơn. Ngày nay, lọc tích cực là phương pháp hiện đại và đang được áp dụng nhiều nhất
trong lĩnh vực lọc sóng hài bậc cao.
2.3 Kết luận
Phần trên đã phân tích về nguyên nhân phát sinh và tác hại của sóng hài trong
hoạt động của quá trình sản xuất và tiêu thụ điện; Mô tả khái quát các mô hình lọc sóng
hài. Đặc biệt chỉ ra các ưu điểm của bộ lọc tích cực và tiềm năng của nó. Trong tương
lai, lọc tích cực sẽ được phát triển và ứng dụng rộng rãi bởi một số lý do chính sau đây:
- Các nguồn phát sinh sóng hài là không thể tránh khỏi, thậm chí ngày càng nhiều
ít nhất là trong nhiều năm nữa, khi mà các tiến bộ về bộ biến đổi công suất trong công
nghiệp chưa được áp dụng (hoặc thay thế) một cách triệt để những tiến bộ mới về cấu
trúc, linh kiện bán dẫn và kỹ thuật điều khiển.
- Các mô hình lọc tích cực được áp dụng nhanh những tiến bộ về kỹ thuật và linh
kiện điện tử công suất.
- Cùng một mục tiêu làm sạch lưới điện không bị ô nhiễm sóng hài thì việc đầu tư
cho lọc có hiệu quả cao hơn là thay thế hoặc áp dụng các bộ biến đổi công suất chất
lượng cao (thế hệ mới).
- Từ một lọc tích cực, có thể phát triển thêm chức năng bù công suất phản kháng
mà không hề phải bổ sung thiết bị mạch lực (đắt tiền) trong khi chỉ cần tích hợp thêm
cho hệ điều khiển khối bù CSPK (rẻ tiền) là có được tổ hợp thiết bị lọc và bù CSPK.
Hai chức năng trên cùng một thiết bị có thể hoạt động đồng thời và độc lập nhau sẽ
mạng lại một hiệu quả kinh tế và kỹ thuật rất lớn có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều
hình thức mạng điện khác nhau trong hệ thống điện.
Nhiệm vụ tiếp theo nghiên cứu xây dựng một mô hình lọc tích cực áp dụng cho
một đối tượng cụ thể trong mạng điện phân phối mà nguồn phát sinh sóng hài là các tải
phi tuyến công suất lớn trong xí nghiệp công nghiệp.
31

Chương 3
LỌC TÍCH CỰC TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP
3.1 Mô hình hệ thống
Trong hoạt động sản xuất của xí nghiệp công nghiệp có thể chia thành hai loại
phụ tải tiêu thụ điện là tải tuyến tính và tải phi tuyến. Mô hình có thể được biểu diễn
thông qua sơ đồ thay thế đơn giản hình 3.1
Nguồn
i1a
i1b
i1c
i2a
i2b
i2c
St=Pt+jQt
Tải
tuyến
tính
Tải
phi
tuyến
Hình 3. 1 Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến
- Tải tuyến tính được xem là loại tải mà chỉ tiêu thụ năng lượng điện thông qua
dòng và áp có dạng sin chuẩn. Ví dụ: các lò điện trở, các động cơ xoay chiều 3 pha
làm việc tự nhiên không có điều khiển.
- Tải phi tuyến là loại tải mà năng lượng điện tiêu thụ có dạng không sin hoặc
tiêu thụ gián tiếp thông qua bộ biến đổi làm cho dòng và áp phía lưới không sin. Ví dụ:
các động cơ có điều khiển qua bộ biến đổi, các thiết bị chỉnh lưu công suất cho bể mạ,
các lò tần số, lò hồ quang, máy hàn, máy biến áp có mạch tử bão hòa cục bộ, các đèn
huỳnh quang, đèn cáo áp…
Ngày nay, trong mọi hoạt động đời sống của con người nói chung và trong sản
xuất công nghiệp nói riêng hầu hết thiết bị làm việc đều qua bộ biến đổi. Vì thế, lưới
điện luôn bị ô nhiễm sóng hài. Trong đó, gây ô nhiễm mạnh nhất phải kể đến các tải
chỉnh lưu công suất lớn.
32

3.2 Tải phi tuyến
Điển hình cho tải phi tuyến ta nghiên cứu một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều
khiển. Trong hình 3.1, tải phi tuyến được xem như một cầu chỉnh lưu có điều khiển, sơ
đồ như hình 3.2
Ia T1 T3 T5
Load
T4 T6 T2
Hình 3. 2 Cầu chỉnh lưu 3 pha có điều khiển
Đối với bộ cầu chỉnh lưu 3 pha ta không bàn luận thêm nữa, vì được coi như đã
quá quen thuộc cả trong thực tế cũng như lý thuyết. Tuy nhiên, để minh họa trong
trường hợp này ta có thể mô phỏng hình ảnh của dòng điện chỉnh lưu ứng với các góc
mở khác nhau và phân tích sóng hài gây ô nhiễm dòng điện lưới phía trước chỉnh
lưu. Cấu trúc mô phỏng bằng Matlab như hình 3.3
Hình 3. 3 Cấu trúc mô phỏng tải chỉnh lưu cầu 3 pha
Việc điều chỉnh công suất hay dòng điện tải thông qua điều chỉnh góc mở (anfa)
điều khiển các van T. Ví dụ:
Ứng với góc mở = 150
, trị hiệu dụng điện áp và dòng điện lưới trước chỉnh
lưu như hình 3.4, hình 3.5 và phân tích sóng hài như hình 3.6
33

400
350
300
1
5
d
o
250
k
h
i
a
n
f
a
200
a
p
t
a
i
150
D
i
e
n
100
50
00 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (s)
Hình 3. 4 Trị hiệu dụng điện áp lưới trước chỉnh lưu khi = 150
80
70
15
do
60
50
khi
anfa
40
tai
(A)
30
Dong
20
10
00 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (s)
Hình 3. 5 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi = 15độ
34

FFT window: 5 of 50 cycles of selected signal
50
0
-50
0.2 0.22 0.24 0.26 0.28
Time (s)
(%
of
Fundamental)
6
4
2
Mag
0
50 100 150 200
0
Frequency (Hz)
Ứng với góc mở = 500
, trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu như hình
3.7 và phân tích sóng hài như hình 3.8
80
70
5
0
d
o
60
50
k
h
i
a
n
f
a
40
t
a
i
(
A
)
30
D
o
n
g
20
10
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (s)
Hình 3. 7 Trị hiệu dụng dòng điện lưới trước chỉnh lưu khi = 50độ
35

FFT window: 5 of 50 cycles of selected
signal 40 20
0
-20
-40
0.2 0.22 0.24 0.26 0.28
Time (s)
Fundamental)
8
6
4
(%
of
2
Mag
0
50 100 150 200
0
Frequency (Hz)
Qua phân tích và các kết quả mô phỏng cho thấy, các tải chỉnh lưu có thê gây
mức độ ô nhiễm sóng hài rất lớn, hơn nữa phổ sóng hài không cố định do tính của chất
tải có điều khiển. Như vậy, lọc thụ động sẽ tỏ ra bất lực mà chỉ có lọc động mới có thể
khắc phục được giải quyết được việc loại khử được hoàn toàn sóng hài.
3.3 Lọc tích cực AF
Cấu trúc của một bộ lọc tích cực gồm hai khối chính là khối mạch lực và khối
điều khiển được mô tả trên hình 3.8 [tl]:
Hình 3. 9 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực
36

- Phần mạch lực, hiểu theo nghĩa đã phát biểu ở trên rằng AF là một máy phát
sóng hài ngược thì đương nhiên AF có chức năng của một nghịch lưu 3 pha.
- Phần điều khiển có khả năng phát hiện tức thời sự xuất hiện của sóng hài phát
sinh trên lưới để tính toán và điều khiển nghịch lưu phát sóng hài ngược.
Lịch sử ra đời các bộ nghịch lưu đã trải qua một chặng đường dài và ngày càng
được ứng dụng rộng rãi nhờ sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật
điều khiển. Đặc biệt, kể từ khi công nghệ FACTS (ra đời từ thập kỷ 70 của thế kỷ 20)
lên ngôi điều khiển hệ thống điện, các thiết bị chỉnh lưu, nghịch lưu đóng vai trò chính
trong các thiết bị bù trên lưới. Với nguyên lý chỉnh lưu PWM (Pulse Width Modulation)
một cầu 3 pha có thể thực hiện được cả hai chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu đã được
chọn làm cấu hình mạch lực chính cho các bộ biến đổi công suất lớn. Chính vậy, người
ta thường gọi theo các tên khác nhau là chỉnh lưu PWM hay bộ biến đổi PWM... để
đơn giản ta gọi tắt là CL.
Tiếp theo ta nghiên cứu nguyên lý làm việc của chỉnh lưu PWM, cấu trúc mạch
lực được mô tả trên hình 3.9
Hình 3. 10 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM
Trong đó:
- Cầu 3 pha gồm 6 van từ S1 đến S6 bán dẫn công suất, thường dùng loại IGBT,
- Tụ điện một chiều đại diện cho khối một chiều,
- L là điện cảm tính toán, R là điện trở của điện cảm và dây nối,
- uLa uLb uLc là giá trị điện áp pha tính tại điểm kết nối PCC.
Từ hình 3.9, có thể chuyển sang sơ đồ thay thế một pha như hình 3.10
37

uL
jLiL RiL
L
i
L R
uS
Hình 3. 11 Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM
Trong đó:
- L, R như trên,
- uL là điện áp lưới tại điểm kết nối,
- uS là điện áp của bộ biến đổi được điều khiển từ DC-side.
Rễ nhận thấy rằng chỉnh lưu PWM có cấu trúc phần cứng giống như bộ nghịch
lưu nguồn áp VSC, uS phụ thuộc vào hệ số điều chế của VSC và điện áp trên tụ. Điện
cảm L là một phần không thể thiếu của chỉnh lưu PWM, nó đóng vai trò như thành
phần tích phân của hệ và một nguồn dòng để tạo đặc tính nâng của chỉnh lưu PWM.
Đây là điểm khác biệt căn bản với các chỉnh lưu thông thường. Điện áp rơi trên điện
cảm L là u1 chính là hiệu giữa điện áp nguồn uL và điện áp của bộ biến đổi uS :
u1 = uL - uS (3.1)
Với uL không đổi, do đó sẽ điều khiển được u1 thông qua điều khiển uS. Từ việc
điều khiển được u1 ta sẽ điều khiển được dòng điện iL chạy trên đường dây. Biẻu thứ
(3.10) có thể được diễn tả bằng đồ thị vector như hình 3.11

UL
US
j
LI
L
IL
RIL
Hình 3. 12 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM
Khi điều khiển iL trùng uL hoặc ngược với uL thì cos =1 thể hiện dưới đồ thị
vecto như hình 3.12a,b:
38

IL UL

US
RIL
a)
jLIL
RIL
US
jLIL
IL 
U
L
b)
Hình 3. 13 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM
a) Khi iL trùng uL ; b) Khi iL ngược với uL
Khi iL trùng với uL thì công suất truyền từ lưới qua chỉnh lưu về phía một chiều;
Khi iL ngược với uL thì công suất truyền từ phía một chiều qua nghịch lưu về lưới. Như
vậy, điều khiển vector dòng điện sẽ điều khiển được dòng công suất qua bộ biến đổi
theo hai chiều ngược nhau. Vấn đề điều khiển dòng điện iL thuộc về nhiệm vụ của khối
điều khiển, thiết kế thuật toán.
3.4 Các phương pháp điều khiển lọc AF
3.4.1 Cấu trúc hệ điều khiển
Có hai cấu trúc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào cách mà dòng điện được đo.
a) Phương pháp vòng hở
Phương pháp này dựa trên việc đo thành phần dòng điện phía tải từ đó tách ra
thành phần sóng hài chứa trong dòng tải. Cấu trúc điều khiển vòng hở cho chinh lưu
PWM thực hiện chức năng mạch lọc tích cực:
39

iS
U
S iC
i
F
L
PWM
C
Bé ®iÒu
khiÓn
Hình 3. 14 Cấu trúc điêu khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực
Theo phương pháp này thì không có thông tin phản hồi về dòng điên trên lưới.
Tất cả sai lệch trong hệ thống cả trong quá trình đo và điều khiển sẽ gây ra các sóng hài
trên dòng điện lưới, các thành phần này là không xác định. Cấu trúc điều khiển này có
ưu điểm là ổn định nhưng yêu cầu số cảm biến đo dòng nhiều (4 cảm biến).
b) Phương pháp vòng kín
Phuơng pháp này dựa trên việc đo dòng điện trên lưới từ đó xác định được dòng
bù cần thiết.
Theo phương pháp điều khiển vòng kín sẽ có thêm một mạch vòng điều chỉnh
dòng điện lưới bên ngoài mạch vòng điều chỉnh dòng tải. Phương pháp này có ưu điểm
là thuật toán điều khiển đơn giản hơn so với cấu trúc vòng hở và yêu cầu số cảm biến
đo dòng ít hơn (2 cảm biến).
Cấu trúc điều khiển vòng kín cho chỉnh lưu PWM thực hiện chức năng mạch lọc
tích cực:
iS
US
iF
iC
L
PWM
C
Bé ®iÒu
khiÓn
Hình 3. 15 Cấu trúc điêu khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực
40

3.4.2 Các phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực
3.4.2.1 Cơ sở của phương pháp điều khiển
Theo nguyên lý chung để lọc sóng hài thì vấn đề cơ bản của cấu trúc điều khiển là
ta phải xác nhận dạng được rõ các thành phần sóng hài xuất hiện trên lưới để xác định
được dòng cần bù được tạo ra bởi mạch lọc nhằm loại bỏ hoàn toàn các dòng điều hòa
bậc cao. Việc xác định dòng bù cần thiết có nhiều phương pháp khác nhau. Có thể chia
ra làm hai phương pháp chính để xác định dòng điều hòa bậc cao cần bù là phương
pháp trong miền thời gian và phương pháp trong miền tần số, [7]. Cụ thể ta xét một số
phương pháp sau:
1- Phương pháp dựa trên miền tần số:
Phương pháp này dựa trên phân tích Furier. Trong lớp phương pháp này xin giới
thiệu hai phương pháp điển hình là: phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform) và
phương pháp FFT (Fast Fourier Transform).

Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform): là thuật toán 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 hài mong muốn theo công thức sau:

N-1 2.π.h.n N-1  2.π.h.n
Xh = xn.cos  -j.x(n).sin  (3.2)
n=0  N n=0  N
Hay có thể viết dưới dạng sau:
X h =X hr +j.Xhi (3.3)
Xh = Xhr
2
+Xhi
2
h
Xhi

(3.4)
=arctan 

X
hr
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
41

- Xh là vecto Fourier của sóng hài bậc h của tín hiệu
vào, Xh,h
là góc pha của vecto Xh
- Xhr là phần thực của Xh
- Xhi là phần ảo của Xh
Xh là biên độ của vecto
Khi mỗi thành phần điều hòa đã được xác định, từ đó tổng hợp lại trong miền
thời gian để tạo tín hiệu bù cho bộ điều khiển thực hiện.

Phương pháp Fast Fourier Transform (FFT)

a) b)
Hình 3. 16 Phương pháp FFT
a) Lấy mẫu; b) Phân tích sóng hài
Các bước thực hiện phương pháp FFT:
- Lấy mẫu dòng điện tải và tính toán biên độ và pha của từng thành phần sóng
hài (ứng với mỗi tần số khác nhau).
- Số lượng mẫu 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 50 Hz 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 hài. 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 hài.
42

Ưu điểm của phương pháp FFT là có thể tác động tới từng thành phần sóng hài
theo ý muốn nhưng có khối lượng tính toán rất lớn.
2- Phương pháp dựa trên miền thời gian
Phương pháp trên miền thời gian có ưu điểm hơn hẳn là khối lượng tính toán ít
hơn so với phương pháp trên miền tần số. Theo lớp phương pháp này có hai phương
pháp điển hình là: phương pháp xá định dòng bù trên khung tọa độ dq và phương pháp
dựa trên thuyết công suất tức thời p-q của Akagi…
3- Phương pháp trên khung tọa độ dq:
Theo phương pháp này có thể xác định toàn bộ dòng bù hoặc có thể lựa chọn từng
thành phần sóng hài cần bù.
- Phương pháp xác định toàn bộ dòng bù: phương pháp này dựa trên khung tọa độ
dq để tách thành phần sóng hài bậc cao ra khỏi thành phần sóng cơ bản. Thuật toán của
phương pháp này có thể được mô tả trên hình 3.15:
Hình 3. 17 Thuật toán xác định dòng bù trong khung tọa độ dq
Thực hiện phép quay khung tọa độ dq với tốc đọ của tần số cơ bản. Khi đó trong
khung tọa độ dq thành phần dòng tần số cơ bản coi như thành phần dòng một chiều còn
lại thành phần sóng hài như thành phần dòng xoay chiều. Sau đó sử dụng bộ lọc thông
cao tách ra được thành phần xoay chiều, đó chính là thành phần của các sóng hài bậc
cao cần bù.
Sau khi tính được dòng bù cần thiết trong hệ dq ta thực hiện phép hệ tọa độ sang
hệ tọa độ chuẩn abc. Phép chuyển được thực hiện như sau như sau:

 i d 2 
 = 
3

i
q 


cosθ
-sinθ
 2π
cos θ - 
 3
 2π
-sin θ - 
 3
cos

θ+
2π
 ia
 
 3

i  (3-5)
 2π
 b

-sin θ+  i 
  c
 3
43

Phương pháp xác định từng thành phần sóng hài cần bù: phương pháp này dựa
trên cơ sở phép quay khung tọa độ. Điểm khác biệt so với phương pháp trên là từ dòng
cần tách ra sóng hài sẽ chuyển sang khung tọa 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 hài 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
theo công thức (3-5) sẽ xác định được thành phần sóng hài tương ứng. Như vậy bằng
phép quay khung tọa độ với góc quay ứng với mỗi thành phần sóng hài. Ưu điểm của
phương pháp này là có thể tác động tới từng thành phần sóng hài bậc cao muốn lọc.
Thuật toán của phương pháp được diễn tả trên hình 3.16.
Hình 3. 18 Thuật toán lựa chọn các sóng hài cần bù trong hệ dq
4- Phương pháp lý thuyết pq tức thời:
Thuyết p-q hay thuyết công suất tức thời được đưa ra bởi Akagi vào năm 1983
với mục đích là để điều khiển mạch lọc tích cực.
Các bước để xác định dòng bù cần thiết theo phương pháp này được tiến hành như
sau:
1- Trước hết tính toán dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ αβ từ hệ tọa độ abc theo
các công thức (3.6) và (3.7):
44

 1

 u 0 2

  2

u
α =  1
3
 u  
 β
 
0


 1

 i 0  2

  2

i
α  =  1
3
 i
β
 
  
0


1 1 

2 2  u a 
1 1 
- - 
u
b
2 2
 u 
3
-
3 c 

2 2 
1 1 

2 2  i a 
1 1  
- - 
i
b 
2 2
 i 
3 3
-
c 

2 2 
(3.6)
(3.7)
Với hệ thống 3 pha không có dây trung tính thì thành phần io không tồn tại
(ia+ib+ic=0) do đó (3.6), (3.7) có thể viết như sau:

1 -1 -1  u a
 u α 2  2 2 
  =  
u
b (3.8)

u
β 3  0 3 - 3 u 


2
 c
 2

1 -1 - 1  i a
 i α 
2 2 2
 
  =  
i
b (3.9)

i
β 3  0 3 - 3 i 


2 2
 c
 
Từ (3.8) và (3.9) tính được công suất tải theo (3.10):
p  uα u βi α
(3.10)
 = 

q
 
-u
β u α
i
β
Công suất p, q có thể tách thành hai thành phần như (3.11):
- thành phần một chiều p , q tương ứng với thành phần cơ bản của dòng tải,
- thành phần xoay chiều p , q tương ứng với thành phần điều hòa bậc cao
45

p=p+p
q=q+q
P3-phase =p+q=p+p+q+q (3.11)
Trong đó :
P3-phase là tổng công suất tức thời xác định bởi tải
p là thành phần CSTD của P3-phase q là thành
phần CSPK của P3-phase
Từ đây, một nguyên tắc được đề xuất là: Nguồn (lưới) chỉ cung cấp thành phần
một chiều p và một phần nhỏ cho công suất tổn hao của bộ nghịch lưu. Còn lại bộ lọc
tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần xoay chiều p và nếu có tích hợp chức năng
bù CSPK thì cấp thêm thành phần q.
Khi đó ta có công suất cung cấp bởi mạch lọc:
 p AF  -p
(3.12)
 =


q
AF  -q
Từ dây ta có dòng cần bù:
 i *
cα 
=
1  uα uβ  -p
(3.13)
 *  
-u β uα
 
i u
2
+u
2
-q
 cβ  α β
 
 
 
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 p0 để duy trì điện áp trên tụ không
đổi. Khi đó từ (3.13) ta có:
 i *
cα 
=
1  uα uβ -p+p0 
(3.14)
 *  
-u β uα
 
i u
2
+u
2
-q
 cβ  α β
 
 
 
Đây là công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc
sóng hài và bù CSPK.
46

Từ dòng bù tính được trong hệ tọa độ αβ ta tính được dòng cần bù trong hệ abc.
Từ (3.14) ta thu được:
 
 i *

 1 0 
 
 i *
cα 
 *ca  2  1 3 

i
cb

=

-

 *  (3.15)
3 2 2
* 
i
cβ 
 i
cc
    
   1 3 

-
- 
2 2
 
Trên cơ sở các phân tích ở trên ta có thuật toán điều khiển theo thuyết p-q:
Udc
ua
ub
uc
ia
ib
ic
Udc -
+
Udc-ref
Calculation
u, u
Calculation
i, i
PI
filter ~
p p
Calculation
P
q q
po
Calculation
ic*
ic*
Calculation
ica*
icb*
icc*
Hình 3. 19 Thuật toán điều khiển dựa trên thuyết p-q tức thời
Như vậy bằng cách sử dụng thuyết p-q ta đã xác định được dòng bù cần thiết từ
đó xây dựng cấu trúc điều khiển cho bộ lọc song song.
Tuy nhiên, phương pháp sử dụng thuyết p-q để tính toán dòng bù cần thiết cho
chức năng lọc sóng hài và bù CSPK có hạn chế chưa được nhắc đến về điều kiện áp
dụng là điện áp trong tính toán yêu cầu phải sin và cân bằng. Khi điều kiện này không
được thỏa mãn thì bản thân thuyết p-q không còn đúng nữa [3]. Giải pháp để khắc phục
hiện tượng điện áp lưới không sin hoặc mất cân bằng có hai cách là:
- Thứ nhất là lọc bỏ thành phần sóng hài trong điện áp lưới trước khi đưa vào tính
toán. Giải pháp này thường được sử dụng khi sóng hài điện áp có tần số cao và khi lọc
thành phần điều hòa không làm thay đổi góc pha của điện áp. Hơn nữa giải pháp này chỉ
đáp ứng tốt khi không có thành phần thứ tự nghịch. Đây là hạn chế của giải pháp này.
- Một cách thứ hai người ta thường sử dụng đó là dùng mạch PLL (Phase-locked-
loop) để xác định thành phần cơ bản của điện áp tại điểm kết nối.
47

Ngoài ra khi sử dụng thuyết p-q để thực hiện thuật toán điều khiển thiết bị lọc sóng hài bậc
cao còn xuất hiện thành phần dòng điện ảo [3]. Tất nhiên thành phần dòng ảo có thể bị triệt tiêu
nếu như lọc với đặc tính giống nhau tức là thành phần này chỉ xuất hiện khi trong quá trình tính
toán dòng bù chuẩn ta chỉ bù p hoặc q hoặc chỉ bù q. Khi tính toán dòng bù cho cả ̃ và ̃ thì sẽ
triệt tiêu được thành phần dòng ảo này.
3.4.2.2 Điều khiển chỉnh lưu PWM làm chức năng mạch lọc sóng hài và bù công
suất phản kháng

Nguyên lý điều khiển

Trong phân tích Fourier, một sóng điều hòa bất kỳ tương đương với một sóng hài
cơ bản và còn lại một phổ các sóng hài bậc cao, trong đó các sóng hài lẻ là thành phần
hình thành công suất phản kháng, việc lọc sóng hài có ý nghĩa tích cực loại trừ thành
phần công suất phản kháng. Vì vậy, trong thuyết pq tức thời của Akagi đề xuất cho lọc
tích cực luôn đi kèm chức năng bù công suất phản kháng. Thực chất, ta có thể hiểu lọc
tích cực như một thiết bị bù, vấn đề là bù âm hay bù dương theo tùy theo đối tượng mà
người thiết kế lựa chọn thuật toán cho hệ điều khiển.
Nhân đây, đề tài thực hiện nghiên cứu đồng thời cả chức năng lọc sóng hài và bù
công suất phản kháng cho cùng một cấu hình của lọc tích cực. Mô hình lọc tích cực với
cấu trúc mạch lực kiểu PWM được diễn tả như hình 3.18
48

Hình 3. 20 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực
Để đảm bảo khối một chiều của nghịch lưu có giá trị điện áp ổn định, thường
người ta sử dụng tụ điện có điện dung thích hợp, điện áp trên tụ có được giữ ổn định
nhờ thiết lập một kối DC/DC (ổn định điện áp một chiều). Điện áp trên tụ được đo và
so sánh với giá trị điện áp chuẩn. Sai lệch của hai tín hiệu này được đưa vào bộ điều
khiển, tín hiệu ra của bộ điều khiển được sử dụng để tính toán dòng bù cần thiết để loại
bỏ sóng hài bậc cao và bù CSPK. Dòng bù này được coi như là tín hiệu chuẩn và dòng
điện phát ra bởi bộ nghịch lưu phải đảm bảo bám theo dòng này.
Ngoài ra, để thực hiện việc này có thể có nhiều cách nhưng phương pháp điều khiển
bang-bang (hysteresis current control) là phương pháp điều khiển được sử dụng phổ biến
bởi những ưu điểm của nó như đáp ứng dòng điện nhanh, đơn giản và dễ thực hiện.
Đầu vào của bộ điều khiển này được lấy từ sai lệch khi so sánh dòng thực và
dòng chuẩn từ đó tạo ra xung đóng cắt bộ nghịch lưu để đảm bảo dòng bù cấp từ bộ
nghịch lưu bám theo dòng bù chuẩn được tính từ thuyết p-q tức thời.
49

3.5 Kết luận
Kết thúc chương 3, ta đã tìm hiểu chung về nguyên lý hoạt động của lọc tích cực
với chức năng lọc sóng hài và bù CSPK. Đưa ra cấu trúc điều khiển cho chỉnh lưu
PWM và sử dụng thuyết p-q để thực hiện chức năng mạch lọc song song. Chương tiếp
theo ta sẽ xây dựng cấu trúc mạch lọc dùng chỉnh lưu PWM và ứng dụng trong một
hoàn cảnh cụ thể với phi tuyến có dạng bể mạ.
50

Chương 4
THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO TẢI PHI TUYẾN
Dạng tải phi tuyến được nghiên cứu trong đề tài này là hệ thống bể mạ, với nguồn
cấp cho bể mạ nhôm với yêu cầu điện áp cấp cho bể mạ là 24(V), với dòng mạ cực đại
đến 10.000(A).
4.1 Phân tích ảnh hưởng đến lưới điện của tải phi tuyến dạng bể mạ
Ra đời và phát triển từ khá sớm, mạ điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực khác nhau như làm đồ trang sức, chống ăn mòn, tăng tính thẩm mỹ trên các dụng
cụ…Mạ điện thực chất là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt một lớp phủ có những
tính chất cơ, lý, hóa…đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra. Để có một lớp mạ đạt chất
lượng tốt thì ngoài các yếu tố như quá trình gia công bề mặt kim loại trước khi mạ,
dung dịch chất điện phân… thì nguồn cấp cho bể mạ cũng là một yếu tố quan trọng để
nâng cao chất lượng lớp mạ.
Nguồn cấp cho bể mạ 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 được các van bán
dẫn chịu được dòng và áp cao do đó nguồn một chiều sử dụng bộ biến đổi ngày càng
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bộ biến đổi cho quá trình mạ 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. Ví dụ mạ Niken thường dùng điện áp ra 6(V) hay 12(V), để mạ Crom thường
dùng nguồn 12(V), để đánh bóng điện hóa nhôm thường dùng nguồn 12- 24(V).
Trong phần này ta sẽ khảo sát đối với hệ thống bể cụ thể gồm 5 bể với yêu cầu cho
mỗi bể mạ là điện áp cấp cho bể mạ là 24(V), dòng mạ cực đại là 10.000(A). Trong phạm
vi luận văn, ta chỉ nghiên cứu trường hợp đơn giản với giả thiết trong quá trình mạ
dòng điện được giữ không đổi.
51

AT
BÓ m¹ 1
TBA
AT
AT
………
AT
BÓ m¹ 2 BÓ m¹ 5
Hình 4. 1 Sơ đồ hệ thống bể mạ
Để thực hiện bù cho hệ thống 5 bể mạ có hai giải pháp có thể áp dụng:
- Giải pháp thứ nhất là bù theo phương pháp điều khiển tập trung
TBA
AT Bé ®o vµ
®iÒu khiÓn
tæng
AT AT
C¸p truyÒn th«ng
AT
AF1 AF2 ………… AF5
BÓ m¹ 1 BÓ m¹ 2 ………… BÓ m¹ 5
Hình 4. 2 Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng
Theo phương pháp này các bộ AF được lắp đặt riêng cho mỗi bể mạ nhưng tín hiệu
điều khiển xuất phát từ một bộ điều khiển trung tâm qua cáp truyền thông. Bộ điều khiển
trung tâm tính toán lượng bù tổng từ đó phân phối tới AF của từng bể mạ tương ứng tùy
theo chế độ hoạt động của bể mạ. Khi một bể mạ không làm việc thì bộ điều khiển sẽ ra
52

lệnh cho bộ lọc của bể mạ đó không làm việc. Phương pháp này có ưu điểm là tiết kiệm
chi phí tuy nhiên vấn đề điều khiển lượng bù thích hợp tới từng bể mạ rất phức tạp.
- Giải pháp thứ hai là bù tại chỗ riêng, tức là với mỗi bể mạ sẽ có một AF riêng rẽ
không liên quan tới bể mạ khác.
TBA
AT
AT
BÓ m¹ 1 AF1
AT
BÓ m¹ 2 AF2
AT
………… BÓ m¹ 5 AF5
Hình 4. 3 Giải pháp bù sát cục bộ phụ tải
Theo phương án này thì đối với bể mạ sẽ sử dụng một AF hoạt động riêng rẽ,
không liên quan tới nhau. Phương án này có ưu điểm là có thể mở rộng ra cho nhiều bể
mạ, điều khiển đơn giản hơn so với giải pháp bù tổng tuy nhiên chi phí sẽ tăng.
Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu theo giải pháp bù riêng rẽ. Do các bể mạ là
giống nhau nên theo giải pháp này ta chỉ cần xét đại diện 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 đưa thêm mạch lọc khác.
53

4.1.2 Phân tích ảnh hưởng đến lưới của phụ tải bể mạ.
Mô hình hệ thống được diễn tả trên hình 4.4 với các thông số chính:
- Điện áp nguồn 380(V), tần số 50(Hz)
- Điện áp một chiều cấp cho bể mạ 24(V), dòng điện mạ 10.000(A)
- Thông số bộ điều chỉnh dòng điện: Kp=0,011; Ki=110
FX
AT
§AXC
+
I
ref
RI
I
BÓ
m¹
CL
Hình 4. 4 Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ
Hệ thống gồm các khối chính: nguồn cấp xoay chiều qua AT, bộ điều áp xoay
chiều ba pha (ĐAXC), máy biến áp chỉnh lưu, bộ chỉnh lưu cầu ba pha (CL), bộ điều
chỉnh ổn định dòng mạ.
Điện áp xoay chiều ba pha được lấy từ lưới qua bộ điều áp xoay chiều sau đó qua
máy biến áp cấp cho bộ chỉnh lưu để tạo nguồn một chiều cấp cho bể mạ. Bộ chỉnh lưu
được sử dụng ở đây là bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển. Việc thay đổi dòng
mạ được thưc hiện thông qua bộ điều áp xoay chiều ba pha. Bằng việc thay đổi góc mở
của bộ điều áp xoay chiều ba pha sẽ thay đổi được điện áp ra của bộ điều áp qua đó
thay đổi được dòng mạ. Trong hệ thống này dòng mạ được giữ ổn định ở 10.000(A)
bằng bộ điều chỉnh dòng điện RI.
Trong trường hợp giả thiết nguồn cấp cho hệ thống bể mạ là nguồn lý tưởng (sin
và đối xứng). Sử dụng phần mền Matlab/Simulink để mô phỏng đánh giá thành phần
dòng điều hòa bậc cao lẫn trong dòng điện nguồn do tính phi tuyến của phụ tải bể mạ
nhôm gây ra.
Cấu trúc mô phỏng được thiết lập như hình:
54

Hình 4. 5 Mô hình hệ thống điêu khiển bể mạ
Các khối chính trong hệ thống điều khiển bể mạ bao gồm:
- Khối nguồn:
Hệ thống nguồn 3 pha 3 dây cung cấp cho tải phi tuyến với các thông số đặc
trưng: Điện áp định mức Uđm = 220(V), tần số fđm= 50(Hz), giá trị góc pha của các
pha A, B, C lệch pha nhau 1200
. Trong Simulink chọn được mô hình nguồn 3 pha:
Hình 4. 6 Nguồn xoay chiều 3 pha
- Khối tải:
Đây là đối tượng ta sẽ khảo sát từ đó thiết kế bộ lọc để lọc thành phần sóng hài
gây ra do tải phi tuyến từ đó cải thiện được chất lượng điện năng.
- Khối mạch lực:
55

Hình 4. 7 Mô hình mạch lực của tải phi tuyến
Mô hình gồm các khâu: điều áp xoay chiều 3 pha, máy biến áp, chỉnh lưu cầu ba
pha không điều khiển.
- Khối điều áp xoay chiều:
Khối này để điều chỉnh điện áp phía xoay chiều từ đó điều chỉnh dòng tải.
Hình 4. 8 Mô hình khâu điều áp xoay chiều 3 pha
- Máy biến áp: trong sơ đồ này sử dụng máy biến áp 3 pha loại Δ/Y do đó thành
phần dòng điều hòa bậc 3 do tải phi tuyến gây nên sẽ chạy quẩn trong cuộc tam giác,
không xâm nhập về phía nguồn. Cách chọn máy biến áp đã làm giảm nhẹ công năng
cho AF.
- Bộ chỉnh lưu: sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển thực hiện chức
năng AC/DC cung cấp cho bể mạ.
- Tải bể mạ: do đặc tính bể mạ, trong quá trình mạ có sức điện động ngược tăng dần
do sự tăng lên của các Cation và Anion trong dung dịch điện phân làm tăng sức điện
56

động đến một giá trị không đổi cho đến khi kết thúc quá trình mạ. Chính sự biến thiên
sức điện động này gây thay đổi phổ và biên độ các thành phần dòng điều hòa bậc cao.
Để tạo đặc tích cho sự biến động của sức điện động trong quá trình mạ ta sử dụng
một khối tạo đặc tính theo sự biến động của sức điện động. Mô hình tải có thể biểu
diễn như sau:
Hình 4. 9 Mô hình tải bể mạ
trong đó: R= 2.10-4
( )
Sức điện động E biến thiên theo đặc tính trên hình 4.10
E(V)
22
0
2 t(s)
Hình 4. 10 Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ
Trong thực tế thì quá trình tăng sức điện động E thường kéo dài khoảng 5 đến 10
phút trong thời gian thực, khi đó khối lượng tính toán của máy tính sẽ lớn. Về lý thuyết,
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 lượng tính toán trong mô
phỏng ta giả sử quá trình này chỉ kéo dài trong 2(s) sau đó sức điện động ổn định.
57

Nghiên Cứu Lọc Tích Cực Trong Mạng Điện Phân Phối Có Xét Đến Điều Kiện Điện Áp Không Đối Xứng.doc

Nghiên Cứu Lọc Tích Cực Trong Mạng Điện Phân Phối Có Xét Đến Điều Kiện Điện Áp Không Đối Xứng.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên Cứu Lọc Tích Cực Trong Mạng Điện Phân Phối Có Xét Đến Điều Kiện Điện Áp Không Đối Xứng.doc

Similar to Nghiên Cứu Lọc Tích Cực Trong Mạng Điện Phân Phối Có Xét Đến Điều Kiện Điện Áp Không Đối Xứng.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (19)

Nghiên Cứu Lọc Tích Cực Trong Mạng Điện Phân Phối Có Xét Đến Điều Kiện Điện Áp Không Đối Xứng.doc