Đề tài Nghiên cứu bộ lọc tích cực sử dụng lí thuyết công suatas tức thời

Bộ lọc tích cực song song nên sử dụng cho 1 tải phi tuyến, nó có thể được coi như một nguồn dòng hài ,một diode hay một tiristor chỉnh lưu với một tải cảm, 1 lò hồ quang và nhiều hơn nữa Hiện tại, một bộ biến đổi nguồn áp PWM thì nói chung là được ưu tiên hơn như một mạch công suất của bộ lọc tích cực thay vì bộ biến đổi nguồn dòng. Một lý do chính là IGBT là một trong hầu hết các linh kiện chuyển mạch công suất được tích hợp 1 diode hoàn năng lượng bên trong, vì vậy nó mang lại hiệu quả rất lớn về kinh tế trong việc xây dựng bộ biến đổi nguồn áp hơn là bộ biến đổi PWM nguồn dòng [6].

doc134 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 12/06/2013 | Lượt xem: 1500 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Nghiên cứu bộ lọc tích cực sử dụng lí thuyết công suatas tức thời, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
với các bộ lọc tích cực song song. Nó chỉ ra rằng lý thuyết p-q có thể xử lý chính xác với các thành phần thứ tự không. Hơn nữa, nó có thể bù cho các dòng tải tốt như sinh ra các dòng sin tới nguồn, thạm chí nếu các điện áp là méo hay không sin. Nếu muốn, lý thuyết p-q có thể cũng được sử dụng để bắt buộc các dòng bù thu hút hằng số công suất tác dụng tức thời 3 pha từ nguồn, thậm chí trong sự hiện diện của các điện áp méo hay không cân bằng. NHẬN XÉT Trong chương này, một vài điều quan trọng của các định nghĩa công suất đã được trình bày, nhấn mạnh cách sử dụng của chúng trong điều khiển của các bộ xử lý công suất tác dụng đường dây. Một vài tổng kết quan trọng sẽ được trình bày dưới đây : Các công suất thực và ảo tức thời định nghĩa trong miền thời gian thành lập một nền tảng vững chắc cho các thuật toán có hiệu lực cao để áp dụng điều khiển các bộ xử lý công suất tác dụng đường dây. Ý nghĩa vật lý rõ ràng đã được gán cho công suất thực, công suất ảo và công suất thứ tự không trong lý thuyết p-q . Các thuật toán bù được thành lập qua phương pháp cực tiểu thì tương đối đơn giản để thực hiện. Tuy nhiên, chúng lại không áp dụng được trong hệ thống 3 pha 4 dây, và không thể bảo đảm hằng số công suất tác dụng tới nguồn. Phương pháp dòng Fryze tổng quát thì dẫn tới các dòng dây tỉ lệ với các điện áp pha và đưa ra giá trị hiệu dụng nhỏ nhất cho dòng bù. Tuy nhiên, nó không phải là một thuật toán tức thời (nó không phải là phương trình đại số). Thuật toán bù dựa trên lý thuyết p-q thì rất linh hoạt. Các công suất không mong muốn được bù có thể lựa chọn một cách thuận tiện. Công suất ảo tức thời được tính toán không có thời gian trễ. Thuật toán bù sử dụng phép biển đổi Clarke có thể cho phép tải 3 pha cung cấp hằng số công suất tác dụng tới nguồn, thậm chí nếu điện áp cung cấp là không cân bằng hay chứa đựng sóng hài. CHƯƠNG 3. CÁC BỘ LỌC TÍCH CỰC 3.1.ĐỊNH NGHĨA BỘ LỌC TÍCH CỰC 3.1.1. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao Các tải thực tế như máy tính, bộ chỉnh lưu, biến tần… thường sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất, trong đó các tiristo, IGBT chuyển mạch làm thay đổi dạng sóng dòng điện, điện áp. Các tải phi tuyến như đèn phóng điện chất khí, lò hồ quang, lò cảm ứng… cũng là nguyên nhân gây làm dạng sóng dòng điện, điện áp trở nên không hình sin (hình 3.1). Hình 3.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp qua tải phi tuyến Sóng không hình sin có thể phân tích thành tổng của các điều hòa hình sin có tần số khác nhau theo công thức Fourier. Sóng hình sin có tần số bằng tần số sóng không hình sin gọi là sóng cơ bản, còn các sóng có tần số lớn hơn sóng cơ bản là sóng hài bậc cao. Biên độ của sóng hài bậc cao giảm dần. Trong số các sóng hài thì hài bậc ba có biên độ lớn nhất. Trong mạch ba pha hài bậc ba của các pha có góc lệch pha bằng 3x1200 = 3600, nghĩa là trùng pha, chúng họp thành hệ thống thứ tự không và khép mạch trong dây trung tính, làm quá tải hệ thống trung tính. Hệ số méo điều hòa THD (Total Harmonic Distorsion) = Trong đó In là trị số hiệu dụng của hài bậc n, I1 là trị số hiệu dụng của điều hòa cơ bản. THD đánh giá ảnh hưởng của sóng hài đối với lưới điện. Theo IEEE 519-1992 đối với mọi loại tải quy định THD < 5%, riêng đối với tải kỹ thuật số THD < 3%. Các sóng hài dẫn đến : Tăng dòng điện tải (tới 50%), gây quá tải nguồn, cáp, máy biến áp, giảm hiệu suất của động cơ không đồng bộ. Giảm điện áp trên tải. Giảm hệ số công suất cosφ. Gây cộng hưởng trong mạch. Gây nhiễu, làm ảnh hưởng tới các thiết bị điện tử. Vì các lý do này người ta phải tìm các biện pháp giảm thiểu các hài bậc cao. 3.1.2. Các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của sóng hài Để giảm các hài bậc cao có thể sử dụng các giải pháp: • Sử dụng cuộn kháng chặn (hình 3.2) Hình 3.2: Cuộn kháng chặn • Sử dụng mạch lọc thụ động (hình 3.3) Hình 3.3: Mạch lọc thụ động Hai phương án này chỉ có tác dụng hạn chế một số hài bậc cao cho các phụ tải có đặc tính phi tuyến tĩnh. Không thể tăng mãi điện kháng của cuộn chặn vì sụt áp làm giảm công suất của tải. Bộ lọc LC cho phép giảm THD tới 10%, có thể tới 5% khi phối hợp với điện kháng chặn. Hiện nay, các bộ tụ bù được sử dụng rộng rãi, được coi là giải pháp chủ yếu trong việc nâng cao hệ số công suất cosφ của tải, làm giảm công suất phản kháng, giảm tổn thất công suất, nâng cao chất lượng điện áp và nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện.Vì thế ngành điện quy định giá trị cosφtiêu chuẩn ≥ 0,85. Khi làm việc dưới giá trị này trong hóa đơn tiền điện khách hàng phải cộng thêm tiền mua công suất phản kháng (tiền phạt cosφ). Khi tải thay đổi mạch tự động điều khiển công tắc tơ, làm thay đổi giá trị điện dụng C của tụ bù đến giá trị mong muốn. Nếu bù quá có nguy cơ làm điện áp tăng cao, ảnh hưởng xấu đến cách điện của các thiết bị điện. Tuy nhiên bộ tụ bù có điều khiển bằng công tắc tơ chỉ thích hợp đối với các tải có đặc tính tuyến tính, đối với các tải phi tuyến mạch này không thích hợp nữa. Đối với các phụ tải động có đặc tính phi tuyến tức thời luôn biến động như máy hàn, lò hồ quang… cần sử dụng bộ lọc tích cực . 3.1.3. Bộ lọc tích cực Là bộ lọc sử dụng phần tử điện tử công suất để tạo nên các sóng hài bằng và ngược pha với sóng hài phát sinh trong mạch. Kết quả là các thành phần sóng hài bị triệt tiêu do đó dạng sóng của nguồn sẽ thuần túy hình sin. Trên hình 3.4 ta thấy tổng của sóng hài do nguồn Inguồn và sóng hài do bộ lọc tích cực phát ra Ilọc bằng không. Tuy nhiên các sóng này luôn thay đổi, do đó bộ lọc tích cực cần được điều khiển theo tín hiệu dạng sóng nguồn và dạng sóng tải và được phản ảnh qua phản hồi dòng điện. Nhờ bộ lọc tích cực chất lượng điện áp cũng được nâng lên và tổn hao công suất trong lưới sẽ giảm đi. Hình 3.4: Một dạng của bộ lọc tích cực 3.2. CÁC CẤU TRÚC LỌC TÍCH CỰC VÀ ỨNG DỤNG Trên thực tế có 2 cấu trúc lọc tích cực được sử dụng phổ biến là bộ lọc tích cực song song và bộ lọc tích cực nối tiếp. Bộ lọc tích cực song song để bù các thành phần dòng hài vào trong hệ thống còn bộ lọc tích cực nối tiếp thì bù các điện áp hài cho lưới [6]. 3.2.1. Bộ lọc tích cực song song Hình 3.5 mô tả sơ đồ cơ bản của bộ lọc tích cực song song : Hình 3.5 Sơ đồ cơ bản của một bộ lọc tich cực song song Thực tế có rất nhiều cấu trúc lọc tích cực song song trong lưới điện. Dưới đây là một vài cấu trúc : Hình 3.6: Sơ đồ một bộ lọc tích cực song song 3 pha 3 dây Hình 3.7: Sơ đồ cơ bản của bộ lọc tích cực 3 pha 4 dây Hình 3.6 chỉ ra một sơ đồ cơ bản của lọc tích cực song song trong hệ thống 3 pha 3 dây. Đây là một trong hầu hết các bộ lọc tích cực cơ bản dùng trong việc bù sóng hài của một tải phi tuyến. Với mục đích đơn giản, cuộn cảm của hệ thống không xác định rõ hướng ngược của điểm nối chung . Bộ lọc tích cực song song này trang bị bởi một chu trình con hiện thời được điều khiển để xác định dòng bù Ic từ nguồn AC , vì vậy có thể bỏ qua dòng hài chứa đựng trong dòng tải IL. Hình 3.8 mô tả dạng sóng dòng điện và điện áp của nguồn xoay chiều Va, dòng nguồn Isa, dòng tải ILa, và dòng bù Ica trong một pha dưới dòng giả định. Cuộn kháng san bằng Ldc trong phía một chiều của chỉnh lưu thì đủ lớn để giữ dòng một chiều Idc = const. Bộ lọc tích cực hoạt động như 1 nguồn dòng điều khiển lý tưởng và cuộn Lac . isa = ila + ica Hình 3.8: Dạng sóng của dòng điện và điện áp trong hình 3.6 Bộ lọc tích cực song song nên sử dụng cho 1 tải phi tuyến, nó có thể được coi như một nguồn dòng hài ,một diode hay một tiristor chỉnh lưu với một tải cảm, 1 lò hồ quang và nhiều hơn nữa…Hiện tại, một bộ biến đổi nguồn áp PWM thì nói chung là được ưu tiên hơn như một mạch công suất của bộ lọc tích cực thay vì bộ biến đổi nguồn dòng. Một lý do chính là IGBT là một trong hầu hết các linh kiện chuyển mạch công suất được tích hợp 1 diode hoàn năng lượng bên trong, vì vậy nó mang lại hiệu quả rất lớn về kinh tế trong việc xây dựng bộ biến đổi nguồn áp hơn là bộ biến đổi PWM nguồn dòng [6]. Một lý do khác là tụ 1 chiều là rất cần thiết cho nghịch lưu nguồn áp. Nó gọn và nhẹ hơn so với cuộn cảm 1 chiều cho nghịch lưu nguồn dòng. Ngoài việc thêm dòng bù sóng hài thì lọc tích cực còn có thể bù công suất phản kháng. Tuy nhiên việc thêm chức năng này vào lọc tích cực song song sẽ làm tăng dòng định mức cho VSI. Ngoài các sơ đồ trên trong thực tế còn có sơ đồ kết hợp giữa bộ lọc tích cực với bộ lọc thụ động : Hình 3.9: Sơ đồ bộ lọc tich cực song song kết hợp với bộ lọc thụ động song song 3.2.2. Bộ lọc tích cực nối tiếp Hình 3.10 mô tả sơ đồ cơ bản bộ lọc tích cực nối tiếp Hình 3.10: Sơ đồ bộ lọc tích cực nối tiếp cho lưới 3 pha 3 dây Hình 3.11: Cấu hình một bộ lọc tích cực nối tiếp độc lập Hình 3.11 chỉ ra 1 mạch cơ bản của lọc tích cực nối tiếp trong hệ thống 3 pha 3 dây. Bộ lọc tích cực nối tiếp gồm có 1 bộ VSI 3 pha hoặc 3 bộ VSI một pha và nó được kết nối với đường dây qua 1 biến áp 3 pha hay 3 biến áp một pha. Khác so với lọc tích cực song song, lọc tích cực nối tiếp hoạt động như một nguồn áp có điều khiển, do đó VSI PWM thì không có chu trình nhỏ về dòng. Điều này làm cho lọc tích cực nối tiếp phù hợp với việc bù 1 nguồn áp hài như một bộ diode chỉnh lưu 3 pha với tải điện dung. Hình 3.12: Dạng sóng của dòng điện và điện áp trong hình 1.5 Hình 3.12 mô tả dạng sóng dòng điện và điện áp của nguồn xoay chiều Va, dòng nguồn Isa, điện áp tải VLa (điện áp ở phía xoay chiều của chỉnh lưu) và điện áp bù Vca trong một pha.Ở đây, giả định rằng tụ Cdc ở phía một chiều của chỉnh lưu thì đủ lớn để giữ Vdc= const. Bộ lọc tích cực hoạt động như một nguồn áp có điều khiển lý tưởng và cuộn cảm Lac . Trong hệ thống thực, lọc tích cực nối tiếp sẽ không làm việc một cách đúng đắn nếu cuộn cảm Lac đã xác định. Nói cách khác, một cuộn cảm xoay chiều cần thiết để cho hoạt động chính xác, thậm chí nếu như bộ lọc tích cực nối tiếp đã được giả định là lý tưởng. Lý do là cuộn xoay chiều có một vai trò vô cùng quan trọng trong việc chống lại sự khác biệt về điện áp giữa nguồn áp Vs và tổng của điện áp bù Vc và điện áp tải VL. Từ khi dòng cung cấp giống hệt dòng đầu vào của chỉnh lưu,nó được thay đổi từ một dạng sóng gián đoạn méo tới một dạng hình sin, liên tục như 1 kết quả của bù điện áp hài đạt được. Điều này có nghĩa là khoảng dẫn của một diode lên tới 1800 . Khi bộ lọc tích cực nối tiếp được dự tính chỉ để bù sóng hài, điện áp bù Vc không có thành phần sóng hài bậc 1 (tần số cơ bản). Điện áp một chiều của diode chỉnh lưu có thể được điều chỉnh bởi việc cố tình điều khiển thành phần sóng hài bậc 1 của điện áp bù. Ngoài các sơ đồ trên trong thực tế còn có sơ đồ kết hợp giữa bộ lọc tích cực với bộ lọc thụ động. Hình 3.13: Bộ lọc tích cực nối tiếp kết hợp với một bộ lọc thụ động song song 3.3. SO SÁNH GIỮA BỘ LỌC TÍCH CỰC NÔI TIẾP VÀ BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG Bảng 3.1 tổng kết sự so sánh giữa lọc tích cực song song và lọc tích cực nối tiếp. Lưu ý rằng lọc tích cực nối tiếp có một mối liên hệ kép trong mỗi điểm cụ thể với lọc tích cực song song. Bảng 3.1. So sánh giữa lọc tích cực song song và nối tiếp Lọc tích cực song song Lọc tích cực nối tiếp Cấu hình mạch Hình 3.7 Hình 3.11 Mạch công suất Bộ biến đổi PWM nguồn áp với chu kì dòng nhỏ Bộ biến đổi PWM nguồn áp không có chu kì dòng nhỏ Hoạt động Nguồn dòng Ic Nguồn áp Vc Tải phi tuyến phù hợp Diode/tiristor chỉnh lưu với tải điện cảm Diode chỉnh lưu với tải điện dung Chức năng thêm Bù công suất phản kháng Bù điện áp xoay chiều Coi rằng hệ thống phân phối dựa trên định nghĩa về một nguồn áp phân phối tới hộ tiêu thụ cuối cùng. Thông thường nó là một nguồn áp lý tưởng. Do đó, hầu hết các trường hợp thì trở kháng nguồn tương đối nhỏ, dạng sóng điện áp được coi như là sin trơn tru khi tải là phi tuyến và dòng thì bị méo. Trong trường hợp này nguyên lý bù cơ bản dựa trên bộ lọc tích cực song song như hình 3.6. 3.4. NHẬN XÉT Chương này trình bày tổng quan về các cấu trúc lọc tích cực song song và nối tiếp trong lưới điện và sự cần thiết của chúng trong lưới điện hiện nay. Bộ lọc tích cực song song thì thực hiện quá trình bù dòng sóng hài dòng điện song song, còn bộ lọc tích cực nối tiếp thì thực hiện quá trình bù điện áp một cách nối tiếp cho lưới. Chương này là tiền đề nền tảng cho sự phát triển bộ lọc tích cực song song ở chương sau. CHƯƠNG 4. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CẤU TRÚC SHUNT –APF 4.1. MÔ TẢ CHUNG BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG Hình 4.1: Sơ đồ cơ bản của bộ lọc tích cực song song Như sơ đồ trên, bộ lọc tích cực song song có 2 phần chính là: Phần công suất gồm bộ biến đổi nguồn áp PWM Phần điều khiển gồm bộ điều khiển dòng cho nghịch lưu PWM (current control PWM) [6]. 4.1.1. Biến đổi PWM cho các bộ lọc tích cực song song Hình 4.2: Các bộ nghịch lưu PWM cho bộ lọc tích cực song song Hình 4.2 chỉ ra các bộ biến đổi công suất 3 pha cho việc thi hành các bộ lọc tích cực song song. Hình 4.2a là bộ biến đổi nguồn áp (VSC) và hình 4.2b là bộ biến đổi nguồn dòng (VCC). Cách ghép nối các bộ điều khiển dòng PWM của mỗi bộ biến đổi có các thiết kế khác nhau. Tuy nhiên, cả 2 bộ biến đổi đều có cùng chức năng : hoạt động như một nguồn dòng có điều khiển. Nó không cung cấp nguồn điện mà chỉ có yếu tố tích trữ năng lượng (tụ điện hoặc cuộn cảm) ở phía một chiều của bộ biến đổi. Lý do là bộ lọc tích cực song song hoạt động như một bộ bù. Trong các trường hợp khác, năng lượng trung bình thay đổi giữa bộ lọc tích cực và hệ thống công suất sẽ là 0. Ngoài ra, bộ điều khiển lọc tích cực sẽ được thiết kế để giữ ổn định điện áp một chiều của VSC hay dòng một chiều của VCC và nó cũng cung cấp năng lượng cho tổn hao của bộ biến đổi. Bộ biến đổi PWM sinh ra các dòng hài không mong muốn quanh tần số chuyển mạch và bội số của nó. Nếu tần số chuyển mạch của bộ biến đổi PWM là cao đáng kể. Các dòng hài không mong muốn có thể dễ dàng dễ dàng được lọc ra bởi bộ lọc thông thấp. Về lý tưởng, các dòng hài do chuyển mạch sẽ được tách đầy đủ và bù các dòng iCk phù hợp với các dòng tham chiếu i*Ck (k = a,b,c). Đôi khi, để thuận tiện cho việc thực hiện bộ lọc tích cực 3 pha sử dụng 3 bộ biến đổi 1 pha thay thế cho một bộ biến đổi 3 pha như chỉ ra trong hình 4.3. Tuy nhiên, để bù công suất phản kháng tức thời (hay công suất ảo tức thời trong lý thuyết p-q ) không cần các yếu tố tích trữ năng lượng như giả thích trong chương 3, một tụ điện một chiều trong trường hợp sử dụng VSC hay một cuộn cảm một chiều trong trường hợp sử dụng CSC sẽ được sử dụng với 3 bộ biến đổi 1 pha kết nối song song với nó. Mô đun IGBT thì có hiệu lực trên thị trường vì nó phù hợp hơn cho bộ biến đổi nguồn áp PWM vì nó có một diode hoàn năng lượng bên trong ghép song song với mỗi IGBT. Điều này có nghĩa rằng IGBT không cần cung cấp năng lực của khối điện áp ngược trong bản thân nó, làm cho nó linh hoạt hơn trong việc thiết kế phù hợp hơn giữa sự dẫn và tồn hao chuyển mạch và khả năng ngắn mạch hơn khối IGBT ngược. 4.1.2. Các bộ điều chỉnh lọc tích cực Các thuật toán điều khiển thực hiện trong các bộ lọc tích cực song song xác định các đặc tính bù của bộ lọc tích cực song song. Có nhiều cách khác nhau để thiết kế một thuật toán điều khiển cho lọc tích cực. Tất nhiên, lý thuyết p-q là nền tảng quan trọng để thực hiện các thuật toán này. Nguyên lý chung của bù dòng song song được đã mô tả trong chương 3 đã dẫn đường cho các thuật toán dưới đây của các bộ điều khiển lọc tích cực. Các bộ điều khiển thiết kế thực tế thì rất khó nếu như bộ lọc song song được áp dụng trong các hệ thống công suất với các điện áp méo và không cân bằng. Các công thức chung của lý thuyết p-q chỉ ra rằng nó không thể thực hiện được việc bù các dòng tải và bắt buộc bù các dòng nguồn thỏa mãn đòng thời 3 đặc tính bù tối ưu khi hệ thống điện chứa đựng các thành phần điện áp méo và không cân bằng tại tần số cơ bản : Rút một hằng số công suất tác dụng từ nguồn. Rút một dòng sin từ nguồn. Bù công suất phản kháng cho nguồn Dưới điều kiện điện áp sin cân bằng nó có thể thõa mãn đồng thời cả 3 đặc tính bù tối ưu như trên. Tuy nhiên, dưới điều kiện điện áp hệ thống không sin và không cân bằng, bộ lọc tích cực song song có thể bù dòng tải và chỉ bảo đảm một đặc tính bù tối ưu. Do đó, một sự lựa chọn phải được thực hiện trước khi thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực. Đây là lí do rút ra 3 thuật toán điều khiển khác nhau : Chiến lược điều khiển hằng số công suất tức thời. Chiến lược điều khiển dòng sin. Chiến lược điều khiển bù công suất phản kháng Phần dưới đây sẽ trình bày chi tiết các thuật toán điều khiển này. Dưới điều kiện điện áp sin và cân bằng thì 3 thuật toán điều khiển này có thể sinh ra cùng một kết quả. Tuy nhiên, dưới điều kiện điện áp hệ thống không sin và không cân bằng thì mỗi chiến lược chỉ bảo đảm một đặc tính bù riêng biệt. Do đó, kết quả bù các dòng nguồn là khác nhau. BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG 3 PHA 3 DÂY Hệ thống 3 pha 3 dây thì không có mặt của dây trung tính và do đó cũng không có mặt của thành phần dòng thứ tự không. Như vậy công suất thứ tự không thì luôn bằng không trong hệ thống. Hình 4.3 chỉ ra các phần quan trọng nhất của bộ lọc tích cực 3 pha 3 dây cho việc bù dòng. Khối điều khiển để tính toán công suất tức thời với đầu vào là các điện áp pha được đo tại điểm nối chung (PCC) và các dòng dây của tải phi tuyến mà nó sẽ được bù. Điều này có nghĩa rằng bộ lọc tích cực song song có một đặc tính bù lựa chọn. Trong các trường hợp khác, nó thi hành như một mạch hở cho các dòng hài phát sinh bởi các tải phi tuyến gần kề khác. Bộ lọc tích cực song song để bù dòng tải như chỉ ra trong hình 4.5 thì là một trong các bộ lọc tích cực phổ biến nhất. Như đã đề cập trước đây, bộ lọc tích cực song song cũng cung cấp việc giảm sóng hài qua đường dây để ngăn ngừa sự lan truyền sóng hài từ kết quả của cộng hưởng dao động giữa cuộn cảm nối tiếp và tụ điện song song của hệ thống để điều chỉnh hệ số công suất. Hình 4.3. Sơ đồ khối bộ lọc tích cực song song 3 pha 3 dây Bộ điều khiển lọc tích cực song song bao gồm 4 khối chức năng cơ bản: Tính toán công suất tức thời Lựa chọn công suất để bù Tính toán dòng quy chiếu Khối điều khiển dòng nghịch lưu PWM Khối đầu tiên tính toán các công suất của tải phi tuyến. Theo lý thuyết p-q, chỉ có công suất thực và công suất ảo tồn tại, bởi vì công suất thứ tự không luôn luôn bằng không. Khối thứ 2 xác định sự làm việc của bộ lọc tích cực song song. Trong các trường hợp khác, nó lựa chọn các phần của công suất thực và ảo của tải phi tuyến sẽ được bù.Khối thứ 3 tính toán ra các dòng quy chiếu cần bù để bộ lọc đưa vào hệ thống. Nó xác định các dòng bù tức thời quy chiếu từ các công suất cần bù và các điện áp. Khối điều khiển thi hành một trong 3 thuật toán điều khiển đã đề cập từ trước. Tất cả các khối điều khiển trong hình 4.3 sẽ được đề cập chi tiết sau, theo mỗi thuật toán bù. Mạch công suất của bộ lọc tích cực song song bao gồm một bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha được cấu tạo từ các IGBT và các diode mắc song song. Bộ điều khiển dòng PWM thực hiện bộ nghịch lưu nguồn áp như là một nguồn dòng có điều khiển. Để hạn chế sự biến thiên di/dt cao, sự ghép cặp của VSI với hệ thống điện cần phải có cuộn cảm mắc nối tiếp. Trong một số trường hợp khác sử dụng biến áp thì trở kháng của cuộn dây biến áp đủ để lọc di/dt nên cuộn cảm sẽ có thể bị loại trừ. Trong trường hợp này thì một bộ lọc thông thấp RC có thể được sử dụng để lọc gợn sóng dòng khi các van bán dẫn chuyển mạch, nó được khởi tạo ở phía sơ cấp của biến áp. Một ứng dụng quan trọng của lý thuyết p-q là bù các dòng không mong muốn. Hình 2.12 đã mô tả ý tưởng cơ bản của việc bù dòng song song. Nó chỉ ra một nguồn (hệ thống máy phát điện) cung cấp cho một tải phi tuyến và nó sẽ được bù bởi một bộ bù song song.Bộ lọc tích cực chính là một dạng của bộ bù song song. Để đơn giản, ta giả định rằng bộ bù song song vận hành như một nguồn dòng 3 pha có điều khiển và nó có thể kéo hay đặt tùy ý dòng lựa chọn theo giá trị i*Ca , i*Cb , i*Cc . Hình 4.4 chỉ ra một phương pháp điều khiển chung được sử dụng trong điều khiển các bộ bù song song. Việc tính toán công suất thực của tải có thể được tách rời trong phần giá trị trung bình hay dao động của nó. Giống như vậy, công suất ảo của tải q có thể được tách rời trong phần giá trị trung bình hay dao động của nó. Sau đó, phần không mong muốn sẽ chia các công suất thực và ảo của tải và nó nên được bù và lựa chọn. Các công suất được bù thì được mô tả bởi –p*c và –q*c trong các bộ điều khiển được chỉ ra trong hình 4.4. Lý do bao gồm các tín hiệu âm trong công suất bù là để nhấn mạnh rằng bộ bù nên có dòng bù sản sinh ra các công suất bù ngược so với công suất không mong muốn trong tải phi tuyến. Chú ý rằng việc chấp nhận các dòng quy ước trong hình 4.1 thì giống như các dòng bù , đó là nguồn dòng , là tổng của dòng tải và dòng bù. Sau đó, biến đổi ngược từ hệ sang hệ abc được áp dụng để tính toán giá trị của dòng bù ba pha quy chiếu : i*Ca , i*Cb , i*Cc . Hình 4.4: Phương pháp điều khiển cho bù dòng song song dựa trên lý thuyết p-q Như đã đề cập ở chương 2, một lợi thế chính của lý thuyết công suất tức thời là nó có thể lựa chọn tùy ý công suất để bù bao gồm , , hay một cách tùy ý, phụ thuộc vào mục đích của người sử dụng. Ở chương này ta sẽ tiến hành đi sâu vào mô phỏng bộ lọc tích cực với các thuật toán lựa chọn công suất để bù khác nhau. Chú ý rằng bộ bù phải tái sinh ra dòng bù ngược so với dòng cần loại trừ. 4.3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC 4.3.1. Mô hình toán học trên miền tương tự Xét sơ đồ như trong hình 4.5, với bộ lọc tích cực đã đề cập như trên thì mô hình toán học của đối tượng mà ta cần điều khiển chính là bộ nghịch lưu PWM, với tín hiệu vào là sai lệch giữa các dòng quy chiếu i*Ca , i*Cb , i*Cc và phản hồi âm giữa các dòng bù thực tế ifa , ifb , ifc . Bộ điều khiển có tác dụng tính toán phát ra các xung kích mở cho các van IGBT để bộ nghịch lưu đưa ra các dòng bù đúng với các dòng quy chiếu. Để đơn giản ta tiến hành xác định mô hình toán học trên pha a, các pha khác tương tự. Hình 4.5: Sơ đồ khối bộ lọc tích cực cho một pha Ở đây, H(s) chính là bộ nghịch lưu PWM với hàm truyền : . Đối tượng đầu ra của bộ nghịch lưu là cuộn cảm L để hạn chế sự biến thiên di/dt như đã đề cập từ trước. 4.4. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.4.1 Tổng hợp bộ điều khiển trên miền tương tự Với mô hình toán học trên miền tương tự như trong hình 4.5, ta tiến hành đi tổng hợp bộ điều khiển trên miền liên tục với công cụ RLTOOL trong Matlab & simulink với yêu cầu hệ thống phải đáp ứng ổn định và nhanh sau khoảng thời gian tương đối ngắn. Để đơn giản, ta sử dụng tiêu chuẩn tích phân để tổng hợp bộ điều khiển. Trong tính toán thực tế, các hệ thống tự động điều chỉnh, thường định ra các chỉ tiêu chất lượng nhất định đối với sai lệch để đánh giá một hệ thống là tốt hoặc xấu. Dưới đây là một vài tiêu chuẩn tích phân thường dùng: - Tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) (Integral of Square Error) Theo tiêu chuẩn ISE,chất lượng hệ thống được đánh giá bởi tích phân sau đây : Trong đó có thể thay thế cận trên không xác định bằng thời gian hữu hạn T đủ lớn sao cho t > T thì e(t) đủ nhỏ đến mức có thể bỏ qua. Hệ thống tối ưu là hệ thống làm cho tích phân này cực tiểu. Có thể áp dụng tiêu chuẩn ISE này cho loại tín hiệu vào đã xác định hoặc cho loại tín hiệu vào xác định theo phương pháp thống kê, bởi vì có thể dùng cả phương pháp giải tích lẫn phương pháp thực nghiệm để tính tích phân trên. Tiêu chuẩn ISE đánh giá các sai lệch lớn rất nặng và đánh giá các sai lệch nhỏ rất nhẹ. Trong một số trường hợp không nên dùng tiêu chuẩn này, ví dụ hệ bậc 2. Một hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này làm cho các sai lệch lớn ban đầu giảm rất nhanh do đó có tốc độ đáp ứng rất nhanh và kết quả là hệ kém ổn định. Tiêu chuẩn ISE thường áp dụng để thiết kế các hệ thống có yêu cầu cực tiểu hóa tiêu thụ năng lượng. Như vậy một hệ thống thiết kế để đảm bảo đạt min JISE thì phải có độ sai lệch là nhỏ nhất. - Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) (Integral of Time multiplied by Absolute value of Error) Theo tiêu chuẩn ITAE , hệ thống tự động điều chỉnh là tối ưu nếu nó làm cực tiểu tích phân sau đây : Tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn các sai lệch sau, xuất hiện trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chình nhỏ và có khả năng làm suy giảm nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh. Việc tính toán bằng giải tích tích phân trên là rất khó khăn, tuy nhiên có thể đo lường thực nghiệm một cách dễ dàng. Như vậy nếu một hệ thống được thiết kế đạt JITAE đạt min thì hệ thống có sai lệch trong quá trình quá độ là nhỏ nhất. - Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE) (Integral of Time multiplied by Square of Error) Ngoài ra trong tính toán thiết kế còn hay dùng tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian với bình phương hàm sai lệch (ITSE): Tiêu chuẩn này có các kết luận giống như đối với tiêu chuẩn ITAE nói ở trên. - Tiêu chuẩn tích phân giá trị tuyệt đối của sai lệch IAE (Integral of Absolute value of Error) : Trong thực tế người ta cho phép hệ thống có một độ quá chỉnh nhất định tức là hệ thống có hệ số tắt dao động nhỏ hơn giá trị tới hạn do đó hệ thống nhanh chóng nhận được giá trị cho trước. Trên cơ sở các phân tích trên ta lựa chọn tiêu chuẩn tích phân giá trị tuyệt đối của sai lệch để thiết kế, với yêu cầu hệ thống nhanh chóng đạt giá trị đặt. Sử dụng công cụ RLTOLL trong Matlab & Simulink để tổng hợp bộ điều khiển, ta thu được bộ điều khiển PI như sau: GC(s) = 4.4.2. Lựa chọn phương án điều khiển dòng (PWM current control) Sau khi tổng hợp xong bộ điều khiển , một bước vô cùng quan trọng nữa là lựa chọn phương án điều khiển dòng của nghịch lưu nguồn áp. Trong thực tế có nhiều phương án đã được lựa chọn để thực hiện, cụ thể có 2 phương pháp thông dụng nhất là bộ điều khiển dòng trễ (Hysteresis Controller) và bộ điều khiển so sánh độ dốc (Ramp Comparison) [7,8,9]. Phần dưới đây ta sẽ trình bày sơ qua về các phương án này : Bộ điều khiển trễ (Hysteresis Controller) : Một phiên bản của bộ điều khiển dòng trễ mô tả trong tài liệu [1] sử dụng 3 bộ điều khiển độc lập, một bộ cho mỗi pha. Điều khiển cho một chân nghịch lưu được chỉ ra trong hình 4.8. Khi dòng dây trở nên lớn hơn hay nhỏ hơn dòng tham chiếu bởi băng trễ thì chân nghịch lưu sẽ được chuyển trạng thái theo chiều âm hoặc dương, nó cung cấp một dòng tức thời giới hạn nếu dây trung tính được kết nối với điểm giữa của bus một chiều. Do đó băng trễ chỉ rõ gợn dòng cực đại giả định rằng không có bộ điều khiển nào của nghịch lưu bị trễ. Tần số chuyển mạch nghịch lưu sẽ biến đổi qua một chu kì nghịch lưu cơ bản khi các gợn dòng được xác lập bởi băng trễ. Trong một hệ thống không có dây trung tính sai lệch dòng thực tế có thể gấp 2 lần băng trễ, giả định rằng các dòng tham chiếu 3 pha có tổng là 0. Một sự trình bày chi tiết hiện tượng này sẽ được trình bày sau. Hình 4.8: Bộ điều khiển trễ cho một pha Bộ điều khiển so sánh độ dốc (Ramp Comparison): Không đồng bộ sóng mang sin với phản hồi dòng. Bộ điều khiển so sánh độ dốc cho một chân nghịch lưu chỉ ra trong hình 4.9. Bộ điều khiển có thể coi như việc sinh ra một tín hiệu sóng mang PWM không đồng bộ với sai lệch dòng coi như các hàm điều biến. Sai lệch dòng được so sánh với tín hiệu sóng mang và nếu như sai lệch dòng mà lớn hơn (hay nhỏ hơn) tín hiệu sóng mang thì sau đó chân nghịch lưu sẽ được chuyển mạch theo chiều dương (hay âm). Với sóng mang hình sin-tam giác, bộ nghịch lưu sẽ chuyển mạch tại tần số sóng mang và sinh ra các sóng hài . Các sự giao nhau của độ dốc bởi sai lệch dòng có thể là một vấn đề khi giới hạn thời gian của sự thay đổi của sai lệch dòng trở nên lớn hơn thời gian của tín hiệu răng cưa. Hình 4.19: Bộ điều khiển so sánh độ dốc cho một pha Nó sẽ được chỉ ra sau rằng đó là sai lệch vốn có về biên độ và độ lệch pha trong các dòng dây. Sai lệch có thể được giảm bởi việc tăng hệ số khuếch đại của bộ điều khiển hay việc thêm bộ bù. Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển có thể được điều chỉnh bởi việc điều chỉnh biên độ sóng mang hay khuếch đại sai lệch dòng. Dựa trên các phân tích trên ta thấy, một bộ điều khiển trễ thì bộ điều khiển dòng trễ có lợi thế là đơn giản, giới hạn động tốt và phụ thuộc vào tốc độ chuyển mạch và hằng số thời gian của tải. Hạn chế của nó là chịu nhiễu và giới hạn chu kì. Do đó việc bảo vệ các bộ biến đổi là khó khăn. Còn bộ điều khiển so sánh độ dốc thì có lợi thế là giới hạn tần số chuyển mạch nghịch lưu cực đại và làm giảm sóng hài nhưng bộ điều khiển yêu cầu hệ số khuếch đại lớn và bộ bù để làm giảm sai lệch dòng. Dựa trên các phương án nêu trên, để đơn giản ta quyết định lựa chọn bộ điều khiển dòng trễ để cho bộ lọc tích cực song song. Phần dưới đây ta sẽ đi sâu về nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển loại này. c. Cấu trúc cơ bản của VSI với bộ điều khiển dòng trễ Hình 4.10: Nghịch lưu nguồn áp 3 pha với bộ điều khiển dòng trễ Cấu trúc cơ bản của VSI với bộ điều khiển dòng trễ được chỉ ra trong hình 4.10. Trong mạch này thì mạch tải 3 pha RL được kết nối trực tiếp với VSI. Các dòng tải ia , ib , ic được so sánh trực tiếp với các dòng đặt và tín hiệu sai lệch đi qua băng trễ để phát sinh các xung mở van. Nó hoạt động để sinh ra điện áp đầu ra trong mạch vòng nhỏ để làm giảm sai lệch dòng. Nguyên lý của bộ điều khiển băng trễ thì tương đối đơn giản. Mục đích của bộ điều khiển dòng là điều khiển dòng tải bằng cách bắt buộc nó bám theo giá trị đặt của nó. Nó được thực hiện bằng cách tác động chuyển mạch của bộ nghịch lưu để giữ các dòng trong băng trễ. Các dòng tải thì được đo lường và so sánh với các dòng đặt bởi 3 bộ điều khiển dòng độc lập. Bộ so sánh trễ có một băng trễ là h. Tín hiệu đầu ra của bộ so sánh được sử dụng để tác động lên các switch của bộ nghịch lưu. Các switch chuyển mạch nghịch lưu sẽ sinh ra 6 vec to tác dụng và 2 vecto không tác dụng theo thứ tự chuyển mạch và các bộ điều khiển trễ thì sử dụng băng trễ trong mặt phẳng để tạo ra hình lục giác được chỉ ra trong hình 2. Định nghĩa của các vecto áp và dòng thì được xác định theo tài liệu [1], bởi vì nó mô tả rất thông thường một bộ các điện áp 3 pha. Vecto điện áp được xác định như sau: Ớ đó a = Và va , vb , vc là các vecto điện áp pha. Tương tự, vecto dòng được định nghĩa như sau: Điện áp thực có thể thu được từ v : Ở đó là góc giữa vecto điện áp và trục thực. d. Phân tích bộ điều khiển dòng trễ Hình 4.12: Cấu trúc của băng trễ Hình 4.13: Các dạng sóng dòng Luật chuyển mạch như sau : Trong sơ đồ này, các băng trễ thì được cố định trong suốt chu kì cơ bản. Thuật toán cho sơ đồ này được xác định như sau: Băng bên trên : Băng phía dưới : Ở đó, h là giới hạn băng trễ. Nếu Nếu Hình 4.14: Sơ đồ băng trễ Dưới thuật toán điều khiển như trên thì ta có sơ đồ phát xung như sau : Hình 4.15: Sơ đồ phát xung của Hysteresis Controller 4.5. MÔ PHỎNG OFF-LINE BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG Như đã phân tích ở trên, với các thuật toán điều khiển khác nhau ta sẽ thu được các kết quả bù khác nhau. Ở phần này ta sẽ đi sâu vào quá trình mô phỏng với từng thuật toán khác nhau và so sánh các kết quả thu được một cách cụ thể. 4.5.1. Sơ đồ chung Để dễ dàng so sánh các thuật toán khác nhau, ta tiến hành mô phỏng cho cùng một hệ thống lưới điện xoay chiều 3 pha 3 dây cung cấp năng lượng cho bộ biến đổi là chỉnh lưu diode 3 pha, mô hình tương tự như hình 4.3 với các thông số cụ thể như sau : Nguồn 3 pha hình sin đối xứng : Ud = 380V Tần số nguồn : 50Hz Bộ biến đổi công suất là cầu chỉnh lưu diode 3 pha công suất 30KVA cung cấp cho tải RL công suất 25KVA. Tải trở cảm với thông số : R =10 () và L = 0,02(H) Bộ lọc tích cực sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha với công suất giới hạn là 5KVA, Vdc = 600V, cấp nguồn cho cầu IGBT. Từ sơ đồ 4.3 dễ dàng thấy rằng bộ lọc tích cực song song phải được ghép ở trước và song song với phụ tải trên đường dây truyền tải từ lưới tới. Như đã đề cập ở chương 2, một lợi thế chính của lý thuyết công suất tức thời là nó có thể lựa chọn tùy ý công suất để bù bao gồm , , hay một cách tùy ý, phụ thuộc vào mục đích của người sử dụng. Ở chương này ta sẽ tiến hành đi sâu vào mô phỏng bộ lọc tích cực với các thuật toán lựa chọn công suất để bù khác nhau. Ứng với mỗi cách lựa chọn công suất để bù thì ta sẽ thu được các đáp ứng khác nhau. Cụ thể, ở đây ta sẽ tiến hành mô phỏng bộ lọc tích cực song song với các chiến lược : Điều khiển hằng số công suất tức thời Điều khiển dòng sin Bù công suất phản kháng cho lưới Ở đây, sơ đồ hệ thống lưới là giống nhau, các thuật toán chỉ khác nhau cách lựa chọn thành phần công suất để bù. Hình 4.15 mô tả sơ đồ chung của toàn bộ hệ thống : Hình 4.15: Sơ đồ khối mô phỏng bộ lọc tích cực song song trong môi trường Matlab và simulink Ở đây bộ lọc tích cực song song chỉ tham gia vào lưới tại thời điếm 0,015s qua switch chuyển mạch. Sơ đồ trên bao gồm khối nguồn 3 pha đối xứng, cấp nguồn bộ biến đổi chỉnh lưu cầu diode với tải trở cảm. Do sự phát sinh sóng hài trong quá trình các van chuyển mạch nên dòng trên lưới sẽ không sin và công suất dao động tương đối lớn. Vì vậy cần sự có mặt của bộ lọc tích cực với 2 khối chính là khối tính toán theo lý thuyết p-q và bộ nghịch lưu công suất tiêm dòng cho lưới. Cấu trúc cụ thể của từng phần như hình dưới đây : Hình 4.16: Sơ đồ nguồn 3 pha đối xứng (Ud=380V, f=50Hz, trở kháng đường dây R=1, L=0,00001H) Hình 4.17: Sơ đồ cầu chỉnh lưu diode 3 pha với tải trở cảm (R =10, L=0,02H) Hình 4.18: Sơ đồ bộ nghịch lưu 3 pha (Udc= 600V, L=0,0005H, R=0,1, C=2) Hình 4.19: Sơ đồ khối tính toán theo lý thuyết p-q Hình 4.20: Khối chuyển từ hệ trục abc sang hệ trục Hình 4.21: Khối tính toán công suất thực và ảo (p và q) Hình 4.22 : Khối tính toán dòng quy chiếu Hình 4.23: Khối chuyển hệ trục sang hệ trục abc Hình 4.24: Khối tính toán công suất thực và ảo của nguồn Dưới tác động của nguồn gây ra sóng hài là bộ cầu chỉnh lưu diode 3 pha, dòng điện trên lưới sẽ bị méo và trở nên không sin. Bộ lọc tích cực thực hiện quá trình tính toán ra các dòng cần thiết để tiêm vào lưới để bù các phần dòng không mong muốn. Trước tiên, hệ thống sử dụng các cảm biến dòng điện và điện áp để đo dòng tải và điện áp nguồn các pha. Sau đó 6 tín hiệu này được đưa vào khối tính toán theo lý thuyết p-q để tính ra các dòng cần bù quy chiếu cho các pha .Quá trình tính toán như sau : Ban đầu các điện áp pha và các dòng dây của lưới thu được từ đo lường được chuyển sang hệ trục alpha – beta qua phép biến đổi Clarke theo các công thức (2.50) và (2.52) trong chương 2. Sau đó các tín hiệu này được đưa vào khối tính toán công suất thực và ảo của tải theo công thức (2.59) trong chương 2. Sau khi tính toán xong p và q, 2 tín hiệu này sẽ được đưa qua khối lựa chọn công suất để bù (với mỗi thuật toán khác nhau thì công suất lựa chọn để bù cũng khác nhau- có thể là toàn bộ công suất ảo hay chỉ phần dao động của công suất ảo, công suất thực….) . Tín hiệu công suất cần bù sau khi đã được lựa chọn được đưa vào khối tính toán dòng quy chiếu trên hệ trục alpha-beta theo công thức (2.60). Sau đó tín hiệu này được đưa tới khối chuyển đổi hệ trục từ alpha-beta sang hệ trục abc theo công thức (2.51) và (2.53) trong chương 2. Các dòng quy chiếu này được so sánh với các dòng nghịch lưu thực tế đưa ra ifa, ifb, ifc , sai lệch dòng được đưa vào bộ điều khiển rồi qua khâu điều khiển dòng HB sẽ xuất ra tín hiệu đóng mở các van IGBT tương ứng cho mỗi pha , kết quả là các dòng bù từ nghịch lưu đưa ra đạt theo đúng yêu cầu tính toán để bù các dòng không mong muốn trên lưới. Vì thông số của tải thay đổi liên tục vì vậy các tín hiệu đo lường phải được thực hiện một cách liên tục và nhạy từ hệ thống và yêu cầu tốc độ xử lý của khối tính toán phải nhanh và nhạy để đưa ra dòng cần bù vào đúng thời điểm tính. Ở đây, ta cũng cần nhấn mạnh rằng, dòng điện từ nguồn dao động méo và không sin là do sự yêu cầu cung cấp thành phần công suất dao động từ nguồn tới tải. Sự không cùng pha giữa Unguồn và inguồn là do sự yêu cầu cung cấp thành phần công suất ảo trung bình từ nguồn tới tải. Nếu bộ lọc tích cực khắc phục được những đặc điểm này thì dòng điện từ nguồn tới tải sẽ hoàn toàn sin và cùng pha với điện áp nguồn. 4.5.2. Mô phỏng hệ thống khi không có bộ lọc tích cực Trước tiên ta tiến hành mô phỏng hệ thống nguồn 3 pha đối xứng cung cấp cho tải là cầu chỉnh lưu diode 3 pha với các thông số như mô tả ở trên. Dưới đây là đồ thị dòng nguồn và dòng tải tương ứng : Hình 4.25: Đồ thị điện áp 3 pha Hình 4.26: Đồ thị dòng tải pha a Hình 4.27: Phân tích phổ dòng tải Hình 4.28: Đồ thị công suất tác dụng từ nguồn Hình 4.29: Đồ thị công suất phản kháng từ nguồn Như vậy, với các đồ thị trên ta thấy tải yêu cầu nguồn cung cấp một dòng 3 pha méo và không cân bằng, biên độ dòng pha a là 48A, độ méo dòng tải THD = 26,75% > 5% như quy định. Công suất tải yêu cầu nguồn cung cấp là Q = 10KVAR và P = 24KW. Như vậy dòng điện bị ô nhiễm sóng hài do ảnh hưởng của phụ tải phi tuyến, yêu cầu bộ lọc tích cực phải bù được dòng hài và làm cho THD giảm xuống đạt mức tiêu chuẩn <= 5%. Phần dưới đây ta sẽ tiến hành mô phỏng bộ lọc tích cực với các thuật toán điều khiển khác nhau, các kết quả mô phỏng sẽ được đưa ra so sánh. 4.5.4. Bộ lọc tích cực cho điều khiển hằng số công suất tức thời Muốn hệ thống nguồn chỉ cung cấp hằng số công suất thực tới tải thì bộ lọc tích cực phải cung cấp các thành phần công suất còn lại của tải đó là : toàn bộ công suất ảo q và phần công suất thực dao động . Chức năng này được thực hiện trong khối lựa chọn công suất để bù. Ở đó tín hiệu thu được bằng cách lấy hiệu của toàn bộ công suất thực trừ đi phần công suất trung bình . thu được qua bộ lọc thông thấp với tần số đặt là 20Hz. Tín hiệu đi vào khối tính toán dòng quy chiếu trên hệ trục alpha beta chính là như hình 4.30. Hình 4.30: Sơ đồ khối lựa chọn công suất để bù Các khối khác trong sơ dồ được giữ nguyên thông số. Với thuật toán trên ta tiến hành mô phỏng và thu được kết quả như sau : Hình 4.31: Đồ thị công suất thực từ nguồn Hình 4.32: Đồ thị công suất ảo từ nguồn Hình 4.33: Đồ thị dòng từ nguồn Hình 4.34: Phân tích phổ dòng nguồn Hình 4.35: Đồ thị dòng bù từ bộ lọc và dòng tính toán Hình 4.36: Phân tích phổ dòng cần bù Hình 4.37: Phân tích phổ dòng bù Nhận xét : Với thuật toán bù công suất thực dao động thì phần được lựa chọn để bù chính là . Tín hiệu dòng bù và dòng cần bù được thể hiện trên cùng một đồ thị hình 4.35 thể hiện rõ sự chính xác của bộ điều khiển, hình 4.36 và 4.37 cho thấy độ méo sóng hài THD cần bù là 16,32% và dòng bù ra đạt 16,26%, khi đó THD của dòng nguồn đã giảm từ 26,75% xuống còn 9,68% . Công suất tác dụng nguồn cấp cho tải đã gần như là một hằng số, điều này chứng tỏ phần công suất dao động đã được bộ lọc cung cấp cho tải, dòng nguồn vẫn chưa thể sin vì thành phần dao động của công suất phản kháng vẫn chưa được bù. Nguồn vẫn cung cấp toàn bộ công suất phản kháng và thành phần công suất hằng số cho tải. 4.5.5. Bộ lọc tích cực cho điều khiển dòng sin Muốn hệ thống nguồn cung cấp dòng hoàn toàn sin tới tải thì bộ lọc tích cực phải cung cấp toàn bộ các thành phần gây ra méo dòng điện nguồn, đó là : phần công suất thực và ảo dao động và cho tải. Chức năng này được thực hiện trong khối lựa chọn công suất để bù. Ở đó tín hiệu thu được bằng cách lấy hiệu của toàn bộ công suất thực và ảo trừ đi phần công suất trung bình và , và thu được qua bộ lọc thông thấp bậc 2 với tần số đặt là 20Hz. Tín hiệu đi vào khối tính toán dòng quy chiếu trên hệ trục alpha beta chính là và như hình 4.38. Hình 4.38: Sơ đồ khối lựa chọn công suất để bù và Các khối khác trong sơ dồ được giữ nguyên thông số. Với thuật toán trên ta tiến hành mô phỏng và thu được kết quả như sau : Hình 4.39: Đồ thị công suất thực từ nguồn Hình 4.40: Đồ thị công suất ảo từ nguồn Hình 4.41 : Đồ thị dòng nguồn Hình 4.42: Phân tích phổ dòng nguồn Hình 4.43: Đồ thị dòng bù từ bộ lọc và dòng tính toán Hình 4.44: Phân tích phổ dòng cần bù Hình 4.45: Phân tích phổ dòng bù Nhận xét : Từ các dạng đồ thị thu được ta thấy, với thuật toán điều khiển dòng sin thì bộ lọc tích cực phải bù phần công suất thực và ảo dao động, khi đó dòng điện từ nguồn tới sẽ trở nên hình sin nhưng không cùng pha với điện áp bởi vì thành phần công suất ảo trung bình không được bù. Đồng thời công suất thực và ảo từ nguồn cung cấp cũng trở nên là hằng số vì thành phần dao động của chúng đã được bù. Hình 4.42 cho thấy độ méo sóng hài THD = 4,34% < 5%, chứng tỏ dòng hài trên lưới đã được bộ lọc xử lý, dòng rút từ nguồn là gần sin. Hình 4.44 và 4.45 cho thấy dòng hài cần bù có THD =48,05% và dòng bù thì gần chính xác với THD = 47,4%. Kết quả bù tương đối chính xác so với lý thuyết, điều này chứng tỏ bộ lọc tích cực hoạt động tốt. 4.5.6. Bộ lọc tích cực cho bù công suất phản kháng Muốn hệ thống nguồn chỉ cung cấp hằng số công suất thực tới tải thì bộ lọc tích cực phải cung cấp các thành phần công suất còn lại của tải đó là : toàn bộ công suất ảo q. Chức năng này được thực hiện trong khối lựa chọn công suất để bù. Tín hiệu đi vào khối tính toán dòng quy chiếu trên hệ trục alpha beta chính là q như hình 4.46. Hình 4.46: Sơ đồ khối lựa chọn công suất để bù q Các khối khác trong sơ dồ được giữ nguyên thông số,với thuật toán trên ta tiến hành mô phỏng và thu được kết quả như sau : Hình 4.47: Đồ thị công suất thực từ nguồn Hình 4.48: Đồ thị công suất ảo từ nguồn Hình 4.49: Đồ thị dòng từ nguồn Hình 4.50: Phân tích phổ dòng nguồn Hình 4.51: Đồ thị dòng bù từ bộ lọc và dòng tính toán Nhận xét : Từ kết quả mô phỏng ta thấy, với thuật toán điều khiển bù công suất phản kháng thì đối tượng được lựa chọn để bù trong hệ thống chính là công suất ảo q, đồ thị cho thấy công suất phản kháng từ nguồn cung cấp tới lưới đã về 0, bộ lọc tích cực đã bù công suất phản kháng tốt nhất, ngoài ra vì thành phần cũng được bù nên dòng điện cùng pha với điện áp nguồn, thành phần công suất thực dao động không được bù nên công suất thực vẫn dao động và dòng điện không sin. Đồ thị 4.50 cho thấy dòng từ nguồn vẫn méo với THD= 28,88% lớn hơn rất nhiều so với 5% cho phép. 4.5.7. Bộ lọc tích cực cho bù công suất phản kháng và bù thành phần công suất thực dao động Như vậy, với các thuật toán khác nhau thì kết quả bù sử dụng lý thuyết công suất tức thời là khác nhau, ở đây để đảm bảo thuật toán bù tối ưu nhất thì ta phải bù cả phần công suất dao động và công suất phản kháng từ nguồn. Phần công suất được lựa chọn để bù chính là và q. Tương tự như phần trước, công suất thu được từ hiệu của p và . Tín hiệu đưa vào khối tính toán dòng quy chiếu chính là và q. Các thông số khác của hệ thống cầu chỉnh lưu diode vẫn được giữ nguyên như trước. Hình 4.53: Sơ đồ khối lựa chọn công suất để bù và q Hình 4.54: Đồ thị công suất thực từ nguồn Hình 4.55: Đồ thị công suất ảo từ nguồn Hình 4.56: Đồ thị dòng từ nguồn Hình 4.57: Phân tích phổ dòng nguồn Hình 4.58: Đồ thị dòng bù từ bộ lọc và dòng tính toán Hình 4.59: Phân tích phổ dòng cần bù Hình 4.60: Phân tích phổ dòng bù Như vậy, với thuật toán tối ưu trên thì đảm bảo dòng điện rút từ nguồn tới tải là hình sin và cùng pha với điện áp pha tương ứng. Công suất phản kháng thì được bù và nguồn chỉ cung cấp hằng số công suất tới tải. Hình 4.57 cho thấy độ méo sóng hài THD = 4,36% <5%, chứng tỏ bộ lọc hoạt động tương đối tốt, dòng hài trên lưới đã được lọc đáng kể, nguồn chỉ cung cấp hằng số công suất tới tải. Tất cả các thành phần công suất phản kháng và thành phần công suất thực dao động mà tải yêu cầu được bộ lọc đáp ứng hết. Đây là thuật toán tối ưu nhất được sử dụng trong thiết kế các bộ lọc tích cực phổ biến trong thực tế. 4.5.8. Bộ lọc tích cực cho bù công suất phản kháng sử dụng lý thuyết abc Như đã đề cập trong chương 2, lý thuyết công suất tức thời ngoài cách chuyển hệ trục như phép biến đổi Clarke còn có lý thuyết abc để biến đổi và tính toán trực tiếp các công suất trên hệ trục abc mà không cần phép chuyển hệ trục. Ở đây ta cũng tiến hành mô phỏng hệ thống lưới điện với thông số nguồn tương tự như phần trên, sử dụng cho bộ cầu chỉnh lưu Thyristor góc mở 300, bộ lọc tích cực với phần công suất vẫn là cầu nghịch lưu IGBT như trên tuy nhiên khác biệt ở thuật toán tính toán ra dòng quy chiếu so với các lý thuyết p-q ở trên. Cụ thể : Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống thì tương tự như hình 4.15. Tải là bộ cầu chỉnh lưu Thyristor góc mở 300 như hình 4.49: Hình 4.61: Sơ đồ cầu chỉnh lưu Thyristor góc mở 300 Ở đây, khối tính toán được tính cụ thể như sau : Hình 4.62: Sơ đồ khối tính toán trong lý thuyết abc Tín hiệu vào cũng được đo lường trực tiếp từ các điện áp pha và các dòng điện dây như trước. Tuy nhiên thuật toán tính toán thì khác hoàn toàn : Hình 4.63: Sơ đồ khối tính toán dòng tác dụng Hình 4.64: Sơ đồ khối tính toán dòng không tác dụng Ban đầu các điện áp pha và dòng dây được đo lường trực tiếp từ lưới điện rồi tiến hành đưa vào khối tính toán ra các dòng điện tác dụng iwa , iwb , iwc theo công thức (2.80) và (2.81) trong chương 2. Sau đó tính toán ra các dòng không tác dụng iqa , iqb , iqc theo công thức (2.79). Đồng thời đây cũng chính là các dòng quy chiếu sử dụng cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ sử dụng tín hiệu này để so sánh với các dòng thực tế của nghịch lưu, lấy sai lệch rồi đưa đi điều khiển. Dưới đây là kết quả mô phỏng : Hình 4.65: Đồ thị công suất thực từ nguồn Hình 4.66: Đồ thị công suất phản kháng từ nguồn Hình 4.67: Đồ thị dòng từ nguồn Hình 4.68: Phân tích phổ dòng nguồn Hình 4.69: Đồ thị dòng tải Hình 4.70: Phân tích phổ dòng tải Hình 4.71: Đồ thị dòng bù từ bộ lọc và dòng tính toán Hình 4.72: Phân tích phổ dòng bù Hình 4.73: Phân tích phổ dòng cần bù Như vậy, với lý thuyết abc thì chỉ được sử dụng để bù công suất phản kháng của nguồn, còn dòng điện thì không sin, công suất tác dụng thì vẫn dao động. Đồ thị 4.69 và 4.70 cho biết dòng tải rất méo với THD =34,51%, bộ lọc tích cực phải tiến hành lọc sóng hài với THD = 43,21%. Sau khi bộ lọc tích cực hoạt động thì dòng từ nguồn tới tải có THD giảm xuống còn 9,68% do bộ lọc đã bù thành phần công suất phản kháng dao động tới tải. Tuy nhiên, lý thuyết abc tức thời chỉ thích hợp để dùng bù công suất phản kháng cho tải, ngoài ra không để bù bất cứ một thành phần công suất nào khác. 4.6. NHẬN XÉT Với những kết quả mô phỏng và phân tích ở trên ta thấy: Lý thuyết abc thì đơn giản hơn trong thao tác tính toán nhưng nhược điểm chính của nó là chỉ bù được công suất phản kháng cho nguồn còn các thành phần khác thì không bù được. Lý thuyết công suất tức thời có ưu điểm là lựa chọn được phần công suất cần bù một cách rất linh động và với nhiều thuật toán khác nhau thì kết quả bù cũng khác nhau. Thuật toán bù dựa trên lý thuyết công suất tức thời tối ưu nhất là bù cả phần công suất thực dao động và công suất phản kháng của nguồn. Khi đó nguồn chỉ cung cấp hằng số công suất tức thời tới tải, dòng nguồn thì hoàn toàn hình sin và cùng pha với điện áp pha tương ứng. Toàn bộ sự méo của dòng hài do tính phi tuyến của phụ tải gây ra đều được triệt tiêu qua bộ lọc tích cực. Như vậy bộ lọc tích cực sử dụng lý thuyết công suất tức thời với thuật toán tối ưu nhất có thể làm giảm ô nhiễm sóng hài của dòng nguồn do các phụ tải phi tuyến gây ra, bù công suất phản kháng và cải thiện hệ số công suất một cách đáng kể. Bộ lọc tích cực là một thiết bị điện rất cần thiết tại xí nghiệp công nghiệp. KẾT LUẬN Sau 12 tuần nghiên cứu, cùng với sự nỗ lực của bản thân, sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PHẠM TUẤN ANH , các thầy cô trong bộ môn Điện tự động công nghiệp và các bạn đồng ngành, em đã hoàn thành đồ án này. Về cơ bản đồ án đã đạt được những thành công sau : Giới thiệu về hệ thống lưới điện thông minh, các vấn đề chất lượng điện trong lưới điện thông minh, tổng quan về một số bộ bù STATCOM và bộ UPFC. Trình bày về lý thuyết công suất cổ điển, lý thuyết công suất tức thời và sự so sánh giữa chúng, ứng dụng mạnh mẽ của lý thuyết công suất tức thời cũng được đề cập. Trình bày về các cấu trúc lọc tích cực trong lưới điện, bao gồm cấu trúc lọc tích cực nối tiếp, lọc tích cực song song và sự kết hợp giữa lọc thụ động và lọc tích cực, ứng dụng của chúng trong thực tế. Đồ án đã tiến hành mô phỏng thành công bộ lọc tích cực song song 3 pha 3 dây trong lưới điện với các thuật toán khác nhau và thu được kết quả tương đối chính xác. Đồ án là nền tảng vô cùng quan trọng để tiến hành xây dựng mô hình thực tế. Cùng với sự hoàn thành của đồ án, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong bộ môn và đặc biệt là thầy giáo PHẠM TUẤN ANH và các bạn trong ngành đã giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này. Do sự hạn hẹp của thời gian và trình độ chuyên môn nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, em mong được các thầy cô và các bạn giúp đỡ để đồ án có thể hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hải phòng ngày 12/2/2011 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện Ths. Phạm Tuấn Anh Nguyễn Đức Công TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [1]. Nguyễn Bính, Điện tử công suất. Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật 2006. [2]. GS.TS. Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2006. [3]. TS. Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2007. 2. TÀI LIỆU TIẾNG ANH [4]. R. Abari, S.Basu, A. Chatterjee, T.Chen, T.G. Croda. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. [5]. Ryszard Strzelecki - Grzegorz Benysek . Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks (Power Systems) 3. BÀI BÁO TIẾNG ANH [6]. David M. Brod. Current Control of VSI-PWM Inverters. (6/1985) [7]. Marian P. Kazmierkowski. Current ControlTechniques for Three-Phase Voltage- Source PWM Conveters : Asurvey (10/1998) [8]. Mohamayee Mohapatra, B.Chitti Babu. Fixed and Sinusoidal-Band Hysteresis Current Controller for PWM Voltage Source Inverter with LC Filter (4/2010) [9]. R.Alexis B. Rey, José M. Ruiz, Santiago de Pablo, and Santiago Cáceres. A New Current Source Control Strategy for VSI-PWM Inverters. [10]. R.Eswaran Chandra Sekaran, Ponna NadarAnbalagan, Chelliah Palanisamy. Analysis and simulation of a newshunt active power filter using cascaded multilevel inverter.(5/2007).

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docNghiên cứu bộ lọc tích cực sử dụng lí thuyết công suatas tức thời.doc
Luận văn liên quan