Đề tài Nghiên cứu tổng quan lọc tích cực, xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực song song

g cộng hưởng: f = (2.3) Hình 2.2. Tổng trở của mạng điện khi lắp đặt cuộn cảm triệt hài. Dòng cộng hưởng chạy qua mạch lọc, không chạy về nguồn. Các hài áp có sẵn trên thanh cái kết nối với mạch lọc LC mà cùng tần số với tần số cộng hưởng đều bị loại bỏ. Có thể đặt nhiều mạch lọc LC để khử các bậc hài cần quan tâm nhằm đạt được hệ số méo dạng áp mong muốn. Tại các tần số hài, trở kháng tương đương có giá trị gần bằng trở kháng ngắn mạch. Vì thế, hệ số méo dạng điện áp có giá trị hầu như không đổi so với trường hợp không có nhánh LC có nghĩa là việc lắp đặt tụ bù và cuộn cảm chống hài không làm tăng trở kháng nguồn. Vì thế không làm tăng sự méo dạng điện áp. Tại các tần số hài, trở kháng nhánh LC cao hơn trở kháng ngắn mạch nhiều nên dòng hài chỉ chạy qua trở kháng ngắn mạch về nguồn mà không chạy qua tụ nên không cần bảo vệ tụ điện. Đối với tần số cộng hưởng song song ít chịu ảnh hưởng của trở kháng nguồn do điện cảm của cuộn chống hài thường lớn hơn trở kháng nguồn (từ 2->9 lần). Mạch điện sẽ cộng hưởng ở hai tần số khác nhau (far<fr). Để cộng hưởng không xảy ra hoàn toàn thì cần thiết bảo đảm hai tần số cộng hưởng này nhỏ hơn hai tần số hài cần được bảo vệ. Vì khi đó ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng nối tiếp thì XL lớn hơn XC tức là nhánh nối tiếp LC gần như chỉ có cuộn cảm. Nhánh này mắc song song với cảm kháng nguồn Xsc nên không có điều kiện xảy ra cộng hưởng. Khi lắp đặt cuộn cảm triệt hài cần lưu ý: Công suất bù phản kháng của nhánh LC lớn chỉ có tụ: Q = Q (2.4) pr: Là bậc cộng hường. Qn: Công suất phản kháng bù định mức của tụ. Bảng 2.1. Công suất bù ứng với bậc cộng hưởng.[3] pr 2.7 3.8 4.3 4.8 Q/Qn 1.16 1.07 1.06 1.05 Điện áp của tụ khi mắc nối tiếp với cuộn kháng triệt hài lớn hơn điện áp bình thường tụ hoạt động độc lập. VC = V (2.5) Khi đóng điện cho nhóm mạch lọc LC thì cần thiết phải đóng tuần tự mạch lọc thấp nhất đến mạch lọc có bậc cao hơn, để tránh vấn đề chống cộng hưởng trong suốt quá trình đóng mạch lọc. Giả sử khi ta cấp nguồn cho mạch lọc 13 trước mạch lọc bậc 11, thì sẽ có nguy cơ hài bậc 11 bị tác động bởi sự chống cộng hưởng gây quá tải trên mạch lọc bậc 11. Tại tần số cơ bản, dung kháng của mỗi bộ lọc thường lớn hơn cảm kháng nên hầu hết điện áp tần số công nghiệp sẽ xuất hiện trên tụ. Vì vậy mạch LC cũng đóng góp vào việc hiệu chỉnh hệ số công suất. 2.1.2. Bộ lọc RC Kết cấu của bộ lọc RC có dạng như hình vẽ sau: Hình 2.3. Cấu trúc bộ lọc RC. Ưu điểm: Bộ lọc RC là bộ lọc đơn giản nhất, giá thành rẻ, vận hành ổn định. Nhược điểm: Có sự phát nhiệt trên điện trở gây tổn hao, tổn hao này càng lớn khí công suất càng lớn. Khả năng chọn lọc tần số kém. 2.1.3. Bộ lọc LC Bao gồm một nhánh L, C với tần số được điều chỉnh đến tần số của sóng hài, xong sự cộng hưởng của nó xảy ra ở một tần số hoặc tại một áp hài nào đó. Khi đó các dòng hài sẽ đi vào mạch LC và không đi vào phần lưới phía trước. Có thể đặt nhiều mạch lọc LC để khử các bậc hài tại tần số mong muốn. Tại tần số cơ bản dung kháng của bộ lọc thường lớn hơn cảm kháng của nó nên mạch lọc cũng góp phần hiệu chỉnh hệ số công suất. Cấu tạo cơ bản của bộ lọc LC như hình vẽ: Hình 2.4. Cấu trúc bộ lọc LC. Ưu điểm: Bộ lọc LC có khả năng lọc tốt nhất, nó lọc được nhiều tần số theo ý muốn. Nhược điểm: Giá thành đắt và 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 do có sự phát sinh sóng điện từ trong cuộn cảm. Có thể suất hiện hiện tượng cộng hưởng làm tăng dòng và áp dẫn đến làm hỏng thiết bị 2.1.4. Mạch lọc cản Các nguồn họa tần có phổ liên tục sẽ có một phần phổ mà tần số của nó gần với với tần số chống cộng hưởng của mạch lọc, điều này làm tăng biên độ hài áp. Để khắc phục điều đó có thể đặt thêm một điện trở R song song với cuộn dây trong mạch lọc ở đầu vào. [3] Hình 2.5. Mạch lọc cản 2.1.5. Mạch lọc kép Mạch lọc kép được tạo từ hai mạch lọc LC kết nối với nhau qua điện trở R. Hoạt động của mạch lọc này là giảm tần số chống cộng hưởng đang tồn tại giữa hai tần số điều chỉnh của hai nhánh song song. [3] Hình 2.6. Mạch lọc kép Các mạch lọc thụ động chỉ áp dụng trong các trường hợp nguồn hài có biên độ ổn định số bậc thấp (5, 7, 9), giải quyết không hiệu quả các nguồn hài có phổ liên tục. Để tăng hiệu quả của lọc sóng hài dùng bộ lọc tích cực. 2.1.4. Mô phỏng bộ lọc thụ động cho tải phi tuyến Mô hình mạch chỉnh lưu 12 xung không có bộ lọc. Hình 2.7. Mô hình chỉnh lưu 12 xung không có bộ lọc Kết quả của điện áp và dòng điện trên B1 và B2 Hình 2.8. Kết quả thu được của dòng và áp. Phổ của dòng chỉnh lưu 12 xung: Hình 2.9. Phổ của chỉnh lưu 12 xung khi không có bộ lọc. Mô hình mạch chỉnh lưu 12 xung khi có bộ lọc. Hình 2.10. Mô hình chỉnh lưu 12 xung khi có bộ lọc. Kết quả mô phỏng: Hình 2.11. Kết quả mô phỏng của bộ chỉnh lưu 12 xung khi có bộ lọc. Phổ của dòng chỉnh lưu tại điểm B1 khi có bộ lọc: Hình 2.12. Phổ của dòng chỉnh lưu 12 xung tại điểm B1 khi có bộ lọc. 2.2. BỘ LỌC TÍCH CỰC 2.2.1. Gới thiệu về bộ lọc tích cực Dựa trên nền tảng là các bộ biến đổi điện tử công suất lớn do đó bộ lọc tích cực có nguyên lý làm việc khác bộ lọc thụ động cũng như có nhiều ưu điểm tính năng hơn. [4] a. Tác dụng của bộ lọc tích cực - Bù công suất Thêm cả chức năng bù công suất đồng thời kết hợp với chức năng lọc thì việc điều khiển sẽ rất phức tạp, bị hạn chế về công suất. Do đó thường kết hợp chức năng bù công suất phản kháng và lọc điều hòa ở dải công suất nhỏ, ở dải công suất lớn thì có thể bù bằng SVC - đóng cắt bằng thyristor, do đó tuy đáp ứng chậm hơn nhưng giá thành rẻ hơn, Bù sóng điều hòa. - Bù sóng điều hòa điện áp: Thường không được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì điện áp tiêu thụ tại các điểm đấu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố tăng hoặc giảm áp. Vấn đề bù điện áp chỉ được xem xét đến khi tải nhạy với sự suất hiện của sóng điều hòa điện áp bậc cao trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống điện. - Bù sóng điều hòa dòng điện: Có ý nghĩa quan trọng đối với các tải công suất vừa và nhỏ. Việc giảm thành phần sóng điều hòa dòng điện trong lưới còn có tác dụng giảm độ méo điện áp tại điểm đấu dây chung. 2.2.2. Các phạm vi công suất của mạch lọc tích cực a. Phạm vi công suất thấp Các ứng dụng có công suất nhỏ hơn 100kVA, chủ yếu phục vụ vào các khu dân cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ thống truyền động công suất nhỏ và vừa. Tính chất của các hệ thống này đòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực tương đối phức tạp có đáp ứng động học cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiều mạch lọc tích cực ở dãy công suất cao hơn, thay đổi trong khoảng chục ms đến vài ms. b. Phạm vi công suất trung bình Phạm vi công suất hoạt động của các thiết bị nằm trong khoảng từ 100kVA đến 10MVA. Ví dụ các mạng cung cấp điện trung và cao áp và các hệ thống truyền động điện công suất lớn và mắc vào nguồn áp lớn. Mục đích chính của các mạch lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các sóng điều hòa dòng điện bậc cao. Tốc độ đáp ứng bù lọc trong hệ thống ở khoảng hàng chục ms. c. Phạm vi công suất rất lớn Dãy công suất rất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền động động cơ DC công suất rất lớn hoặc hệ thống truyền tải điện. Mạch lọc tích cực cho phạm vi công suất rất lớn rất tốn kém vì nó đòi hỏi sử dụng các linh kiện công suất có khả năng đóng cắt dòng điện ở công suất rất lớn. 2.2.3. Phân loại mạch lọc tích cực Có nhiều cách phân loại dựa theo các tiêu chí khác nhau chẳng hạn như dựa vào bộ biến đổi công suất được sủ dụng, dựa theo cấu trúc bộ lọc, dựa theo nguồn cấp, a. Phân loại theo bộ biến đổi công suất Căn cứ vào bộ biến đổi công suất trong mạch lọc ta có hai loại mạch lọc tích cực: Mạch lọc cấu trúc VSI (bộ biến đổi nguồn áp) và cấu trúc CSI (bộ biến đổi nguồn dòng). Mạch lọc tích cực sử dụng bộ biến đổi nguồn áp VSI: Đặc điểm của cấu trúc VSI là tự cung cấp điện áp một chiều, kích thước nhỏ gọn, có thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc. Hình 2.13. Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI. Mạch lọc tích cức sử dụng bộ biến đổi nguồn dòng. Đặc điểm của cấu trúc mạch lọc CSI là có khả năng chịu dòng đóng cắt lớn tuy nhiên có hạn chế là tần số đóng cắt hạn chế, tổn hao đóng cắt lớn, không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc. Hình 2.14. Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI. b. Phân loại theo sơ đồ mắc b1. Mạch lọc tích cực song song. Hình 2.15. Cấu trúc mạch lọc tích cực song song (AF). Các phần tử trên sơ đồ: Tải phi tuyến có thể là cầu chỉnh lưu điôt hoặc thyristor. Dòng đầu vào tải phi tuyến I bao gồm nhiều thành phần bậc cao. Nếu dòng đầu ra của bộ AF cũng sinh ra các thành phần bậc cao như vậy nhưng ngược pha thì dòng điện phía lưới I sẽ chỉ còn thành phần sóng sin bậc nhất. Như vậy đặc điểm của mạch lọc tích cực song song: là bù sóng điều hòa dòng điện, bù CSPK, bù thành phần dòng điện không cân bằng. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý của bộ lọc song song AF: Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc song song AF. Chức năng của AF là triệt tiêu các sóng điều hòa dòng điện bậc cao sinh bởi tải phi tuyến ảnh hưởng lên đường dây, trả lại dòng điện trên đường dây hình sin chuẩn. Ngoài ra AF còn có thể bù công suất phản kháng tại điểm kết nối giữa AF và lưới điện. Việc xác định vị trí đặt bộ lọc cần phải tính toán theo một số nguyên tắc như sau: - Giảm thiểu tối đa thời gian truyền, khoảng cách lan truyền của sóng điều hòa trên đường dây. Điều này được thực hiện bằng việc đặt thiết bị lọc gần nguồn sinh sóng điều hòa. - Đặt thiết bị lọc giữa nguồn với các tải nhạy cảm với sóng điều hòa để hạn trế ảnh hưởng của sóng điều hòa tới thiết bị. - Để thực hiện được chức năng này bộ AF hoạt động như một bộ nguồn ba pha tạo ra dòng điện thích hợp bơm lên đường dây. Dòng này bao gồm hai thành phần: + Thành phần triệt tiêu các sóng điều hòa bậc cao sinh bởi tải phi tuyến: là thành phần ngược pha với tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao. + Thành phần bù công suất phản kháng. Ta có thể phân tích thành phần dòng tải thành 2 thành phần: thành phần cơ bản I và thành phần điều hòa I : I = I + I Dòng do AF bơm lên đường dây: I = I Khi đó dòng trên đường dây sẽ là: I = I - I = I + I - I = I Như vậy dòng trên đường dây chỉ còn chứa các thành phần cơ bản, các thành phần điều hòa bậc cao đã được bộ lọc loại bỏ. Nếu nhìn từ phía tải, bộ AF tương đương với một trở kháng song song có thể thay đổi trở kháng bằng không hay rất nhỏ so với sóng điều hòa bậc cao và bằng vô cùng với thành phần cơ bản. b2. Mạch lọc tích cực nối tiếp (AFs). Hình 2.17. Cấu trúc bộ lọc tích cực nối tiếp (AFs) Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp như hình vẽ. Trên một đường dây nối giữa hai bus hệ thống có điện áp U và U. Phía bus U có thể có một hoặc nhiều phụ tải phi tuyến làm cho U chứa nhiều thành phần sóng bậc cao. Bộ lọc AFs bao gồm chỉnh lưu tích cực, cung cấp thành phần một chiều cho bộ nghịch lưu, đầu ra của bộ nghịch lưu thông qua một máy biến áp đưa ra một điện áp U, mắc nối tiếp giữa hai bus hệ thống. Do đó cỏ thể hiệu chỉnh giá trị, góc pha cũng như thành phần sóng hài của điện áp U sao cho ngược pha với các tác động nhiễu của điện áp U mà các sóng bậc cao sẽ không ảnh hưởng được sang hệ thống bus U. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý của bộ lọc nối tiếp AFs: Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tích cực nối tiếp (AFs). Ta có thể phân tích điện áp nguồn thành hai thành phần là: thành phần cơ bản U và thành phần sóng điều hòa U: U = U + U Điện áp dọc đường đây AFs tạo ra ngược pha vói tổng sóng điều hòa điện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần điều hòa bậc cao này đảm bảo điện áp có dạng hình sin. Nhìn từ phía tải AFs tạo ra một tổng trở đường dây. Tổng trở này bằng không với các thành phần điện áp cơ bản và bằng vô cùng với các thành phần điện áp điều hòa bậc cao, do đó giữa nguồn và tải có sự cách ly sóng điều hòa bậc cao. Mạch lọc nối tiếp có thể vừa triệt tiêu sóng hài điện áp, vừa có thể bù sụt áp trên đường dây. Tuy nhiên hệ thống phức tạp chỉ phù hợp với hệ thống công suất lớn hoặc rất lớn. Vì vậy sau đây chúng ta sẽ chỉ xét đến mạch lọc tích cực song song, phù hợp với tất cả các phụ tải từ nhỏ đến trung bình (Dải công suất nhỏ đến trung bình bao gồm phần lớn các thiết bị hiện nay) nên mạch lọc song song có ý nghĩa quan trọng với các ứng dụng trong thực tế. Phân loại theo nguồn cấp Căn cứ theo nguồn cung cấp cho tải, người ta chia ra: - Mạch lọc tích cực một pha: dùng cho tải một pha. - Mạch lọc tích cực ba pha, 3 dây: dùng cho tải phi tuyến 3 pha không dây trung tính. Hình 2.19. Sơ đồ mạch lọc tích cực 3 pha. 3 dây. Mạch lọc tích cực ba pha, 4 dây: dùng cho tải phi tuyến 3 pha có dây trung tính. Trong mạch này sẽ loại bỏ cả các sóng hài ở dây trung tính.Trong mạch này sẽ loại bỏ cả các sóng hài ở dây trung tính. Trong mạch lọc tích cực loại này có thể chia ra làm mạch lọc tích cực bốn dây có điểm giữa và mạch lọc tích cực bốn dây không có điểm giữa. Cấu trúc mạch lọc tích cực bốn dây có điểm giữa thường được sử dụng hơn do yêu cầu số van ít hơn, tuy nhiên cấu trúc điều khiển sẽ phức tạp hơn và vấn đề cân bằng điện áp trên tụ cần phải được quan tâm. Trong khi đó cấu trúc bốn dây không có điểm giữa thì yếu cầu cấu trúc điều khiển đơn giản hơn, dung lượng tụ yêu cầu thấp hơn, nhưng cần số lượng van bán dẫn nhiều hơn. Hình 2.20. Mạch lọc tích cực bốn dây có điểm giữa. Hình 2.21. Mạch lọc tích cực bốn dây không có điểm giữa. 2.3. DÙNG BỘ CHUYỂN ĐỔI XUNG TRONG THIẾT BỊ ĐỔI ĐIỆN, ĐIỀU KHIỂN Ngoài ra biện pháp cũng hữu hiệu để hạn chế các sóng điều hòa bậc cao do các bộ đổi điện gây ra là sử dụng các sơ đồ biến đổi nhiều xung. Ví dụ bộ biến đổi n xung chỉ có thành phần hài bậc (nk-l) (k số nguyên) tồn tại. [3] Các bộ chuyển đổi nhiều xung kết hợp, cách đấu dây của MBA (như đấu tam giác kiểu Zig-Zag hạn chế hài bội ba) cũng góp phần giảm sóng hài. Khi đó chỉ có các dòng hài bậc cao thì các thành phần hài có biên độ lớn được triệt tiêu. 2.3. BỘ LỌC HỖN HỢP Thực chất là sự kết hợp của bộ lọc chủ động và bộ lọc thụ động. Mục đích là giảm chi phí đầu tư ban đầu và cải thiện hiệu quả của bộ lọc tích cực. Bộ lọc thụ động sẽ lọc những sóng điều hòa mà bộ lọc tích cực không lọc được hoặc lọc một cách khó khăn. Chính vì thế thông số chỉ tiêu của bộ lọc chủ động sẽ không cần quá cao do đó sẽ giảm được chi phí. Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc hỗn hợp như hình bên dưới: Hình 2.22. Mạch lọc hỗn hợp. Ngoài ra khi kết hợp cả AF và AFs thì ta sẽ có bộ lọc UPQC (Unified Power Quality Conditioner) kết hợp được cả tính năng của AF và AFs Hình 2.23. Sơ đồ cấu trúc UPQC Trong UPQC có AFs có chức năng cách ly sóng điều hòa giữa tải và nguồn, điều chỉnh điện áp, giảm dao động và giữ cân bằng điện áp, AF có chức năng lọc sóng điều hòa, triệt tiêu thành phần thứ tự âm. Tuy nhiên giá thành cho bộ UPQC đắt và điều khiển phức tạp. CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC SONG SONG Bộ lọc tích cực AF và chỉnh lưu PWM có cấu trúc phần cúng giống hệt nhau gồm bộ nghịch lưu nguồn áp và tụ điện, do đó về nguyên lý ta có thể sử dụng chỉnh lưu PWM để thực hiện chức năng của mạch lọc tích cực bằng việc sử dụng thuật toán thích hợp. Nguyên lý chung để lọc sóng điều hòa là thiết bị lọc sẽ tạo ra dòng bù bằng tổng sóng điều hòa bậc cao nhưng ngược pha, do đó sẽ triệt tiêu được sóng điều hòa bậc cao phía nguồn. Như vậy, vấn đề cơ bản là phải xác định được dòng bù được tạo ra bởi bộ lọc để loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao. Trong thực tế, có nhiều phương pháp để xác định dòng bù này. Qua phân tích ở chương 1, phương án được chọn trong đề tài là xây dựng bộ lọc tích cực song song dựa trên lý thuyết p-q. 3.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CHỈNH LƯU PWM 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch lực Sơ đồ miêu tả nguyên lý làm việc của chỉnh lưu PWM. Hình 3.1. Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM. Sơ đồ thay thế một pha: Hình 3.2. Sơ đồ thay thế một pha của chỉnh lưu PWM. Trong đó: L, R: là điện cảm, điện trở của đường dây. u: là điện áp nguồn. u: là điện áp của bộ biến đổi được điều khiển từ DC-side Nhận thấy rằng chỉnh lưu PWM có cấu trúc phần cứng giống hệt như bộ nghịch lưu nguồn áp VSC, do đó u phụ thuộc vào hệ số điều chế của VSC và điện áp trên tụ. Điện cảm L nối giữa lưới và bộ chỉnh lưu PWM là một phần không thể thiếu của mạch chỉnh lưu, đóng vai trò như thành phần tích phân của hệ và một nguồn dòng để tạo đặc tính nâng của chỉnh lưu PWM. Điện áp rơi trên cuộn cảm L là u chính là hiệu giữa điện áp nguồn u và điện áp của bộ biến đổi u: u = u - u Với u không đổi do là điện áp nguồn, do đó sẽ điều khiển u thông qua điều khiển u. Từ việc điều khiển u ta sẽ điều khiển được dòng điện i chạy trên đường dây. Hình 3.3. Giản đồ vector của chỉnh lưu PWM. Khi điều khiển i trùng u hoặc ngược với u thì cosj =1 thể hiện dưới đồ thị vector như sau: Hình 3.4. Giản đồ vector chỉnh lưu PWM a. Khi i trùng u b. Khi i ngược với u Khi i trùng u thì công suất truyền tải từ lưới về tải, khi i ngược với u thì công suất truyền tải từ tải về lưới và như vậy công suất truyền tải có thể truyền theo hai chiều từ lưới về tải và từ tải về lưới. Với cấu trúc phần cứng giống như bộ lọc tích cực AF gồm bộ nghịch lưu nguồn áp VSI và tụ C nên có thể sử dụng chỉnh lưu PWM để thực hiện chức năng của mạch lọc tích cực cùng với thuật toán điều khiển như bộ lọc tích cực. 3.1.2. Một số cấu trúc điều khiển Có hai phương pháp chính để lọc sóng điều hòa bậc cao tùy thuộc vào cách mà dòng điện được đo. Hai cách này có cấu trúc điều khiển khác nhau do đó sẽ có một số đặc điểm khác nhau. a. Cấu trúc vòng hở Phương pháp này dựa trên việc đo thành phần dòng điện phía tải, từ đó tách ra thành phần sóng điều hòa chứa trong dòng tải. Cấu trúc điều khiển vòng hở cho chỉnh lưu PWM thực hiện chức năng mạch lọc tích cực: Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực Theo phương pháp này thì không có thông tin phản hồi dòng điện trên lưới. Tất cả sai lệch trong hệ thống cả trong quá trình đo và điều khiển sẽ gây ra các sóng điều hòa trên dòng điện lưới, các thành phần này là không các 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. Cấu trúc vòng kín Phương 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: Hình 3.6. Cấu trúc điều khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng mạch lọc tích cực 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC 3.2.1. Phương pháp dựa trên miền tần số Phương pháp này dựa trên tích phân Furier. Trong lớp phương pháp này có 3 phương pháp chính là phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform), phương pháp FFT (Fast Fourier Transform), phương pháp RDFT (Recursive Discrete 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 sóng điều hòa mong muốn theo công thức sau: = x(n).cos - j..sin Ta có thể viết dưới dạng sau: = X +j.X = j = arctan 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. X: Là vector Fourier của sóng điều hòa bậc h của tín hiệu vào, là biên độ của véc tơ X, j là góc pha của vector X. X: Là thành phần thực của vector X. X: Là thành phần ảo của vector X. Mỗi thành phần điều hòa được xác định từ đó tổng hợp lại trong miền thời gian để tạo tín hiệu bù cho bộ điều khiển. - Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform). Hình 3.7. Phương pháp FFT Các bước thực hiện phương pháp FFT: + Lấy mẫu dòng điện tải và tính toán biên độ và pha của từng thành phần sóng điều hòa (ứng với mỗi tần số khác nhau). + Số lượng lấy mẫu trong một chu kỳ càng lớn thì f càng lớn. + Tách thành phần sóng 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 (IFFT) để có tín hiệu trong miền thời gian bao gồm biên độ và pha của mỗi thành phần sóng điều hòa. Việc tính toán này phải thực hiện trong mỗi chu kỳ của dòng chính để đảm bảo rằng FFT tính toán hoàn tất trong một chu kỳ để tránh méo do phổ tần số. + Tổng hợp dòng bù từ các thành phần sóng điều hòa. Ưu điểm của phương pháp FFT là có thể tác động đến từng thành phần sóng điều hòa theo ý muốn nhưng lại có khôi lượng tính toán lớn. 3.2.2. Các phương pháp dựa trên miền thời gian Phương pháp này có ưu điểm hơn là khối lượng tính toán ít hơn so với phương pháp dựa trên miền tần số. Theo phương pháp này có một số phương pháp như phương pháp trên khung tọa dộ d-q, phương pháp dựa trên thuyết p-q. a. Phương pháp xác định dòng bù trong hệ d-q Phương pháp này dựa trên khung tọa độ d-q để tách thành phần sóng điều hòa bậc cao ra khỏi thành phần sóng cơ bản. Thuật toán thể hiện phương pháp: Hình 3.8. Thuật toán xác định dòng bù trong hệ d-q. Phép quay khung tọa độ d-q quay với góc quay của tần số cơ bản. Khi đó trong khung tọa độ d-q thành phần dòng với tần số cơ bản được coi như thành phần một chiều và thành phần sóng điều hòa bậc cao được coi như thành phần xoay chiều. Sau đó sử dụng bộ lọc thông cao tách thành phần xoay chiều, thành phần này chính là thành phần của sóng điều hòa bậc cao. Sau khi tính được dòng bù cần thiết trong hệ d-q ta cần chuyển sang hệ tọa độ chuẩn a-b-c. Phương pháp xác định từng thành phần sóng điều hòa 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 điều hòa sẽ chuyển sang khung tọa độ d-q với góc quay bằng bội lần góc quay của tần số cơ bản, khi đó trong khung tọa độ mới d-q thành phần một chiều chính là thành phần sóng điều hòa cần tách và bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp ta có thể tách được thành phần một chiều này. Sau đó chuyển sang khung tọa độ abc thì ta sẽ xác định được thành phần sóng điều hòa tương ứng. Như vậy bằng phép quay khung tọa độ với góc quay tương ứng với mỗi thành phần sóng điều hòa. Ưu điểm của phương pháp này là có thể tác động đến từng thành phần sóng điều hòa bậc cao muốn lọc. Hình dưới thể hiện thuật toán của phương pháp này. Hình 3.9. Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ d-q. b. Phương pháp xác định dòng bù dựa trên thuyết p-q Thuyết p-q hay thuyết công suất tức thời được đưa ra bởi Akagi vào năm 1983 với mục đích điều khiển mạch lọc tích cực.[4] Mô hình điều khiển mạch lọc tích cực theo thuyết p-q: Hình 3.10. Mô hình bộ lọc tích cực theo thuyết p-q. Các bước để tiến hành xác định dòng bù cần thiết theo phương pháp này được tiến hành như sau: Tính toán dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ 0ab từ hệ tọa độ abc. + Với hệ thống ba pha có dây trung tính Công thức quy đổi điện áp: (3.1) Công thức quy đổi dòng điện: (3.2) + Với hệ thống ba pha không có dây trung tính: Công thức quy đổi điện áp: (3.3) Công thức quy đổi dòng điện: (3.4) Công suất tải được tính theo công thức: (3.5) Công suất p, q có thể tách ra làm hai thành phần: - Thành phần một chiều , tương ứng với thành phần cơ bản của dòng tải. - Thành phần điều hòa bậc cao , . [p] = + [q] = + Khi đó, tổng công suất tức thời xác định bởi tải: P = p + q = + + + Trong đó: p: là thành phần công suất tác dụng của P. q: là thành phần công suất phản kháng của P. Nguồn chỉ cung cấp thành phần công suất một chiều của tải và công suất tổn hao của bộ nghịch lưu. Mạch lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất xoay chiều và thành phần công suất phản kháng q. Khi đó ta có công suất cung cấp bởi mạch lọc: = Và dòng cần bù: (3.6) Tuy nhiên do điện áp trên tụ không ổn định, do đó để đảm bảo điện áp trên tụ không đổi thì nguồn cần cung cấp một công suất p để đảm bảo duy trì điện áp trên tụ không đổi. Bởi vậy, công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ ab khi kết hợp cả chức năng lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng: (3.7) Từ công thức này, ta tính được dòng bù trong hệ tọa độ abc. (3.8) Từ đó ta có thuật toán điều khiển theo thuyết p-q: Hình 3.11. Thuật toán điều khiển dựa trên lý thuyết p-q. 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. Theo phương pháp sử dụng thuyết p-q để tính toán dòng bù cần thiết cho cho chức năng lọc sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng có hạn chế là điện áp tính toán yêu cầu phải sin và cân bằng. Nếu điều này không được thỏa mãn thì bản thân thuyết p-q không còn đúng nữa. Giải pháp để khắc phục hiện tượng điện áp lưới không sin hoặc mất cân bằng có hai cách là: Cách thứ nhất là lọc bỏ thành phần sóng điều hòa trong điện áp lưới trước khi đưa vào tính toán. Giải pháp này thường được sử dụng khi sóng điều hòa 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 áp dụng khi không có thành phần thứ tự nghịch. Đây là hạn chế của giải pháp này. Cách hai người ta thường sử dụng đó là mạch PLL (Phase-Locked-Loop) để xác định thành phần cơ bản của điện áp tại điểm kết nối. Ngoài ra khi sử dụng thuyết p-q để thực hiện thuật toán điều khiển thiết bị lọc sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng còn suất hiện dòng điện ảo. Tất nhiên là thành phần dòng điện 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 hoặc hoặc chỉ bù q. Khi tính toán dòng bù cho cả và thì sẽ triệt tiêu được thành phần dòng ảo này. 3.3. CẤU TRÚC MẠCH LỌC TÍCH CỰC SONG SONG SỬ DỤNG CHỈNH LƯU PWM 3.3.1. Nguyên lý điều khiển Trong cấu trúc này chỉnh lưu PWM thực hiện cả chức năng lọc sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng. Sơ đồ cấu trúc điều khiển như hình 3.12. Nguồn một chiều cấp cho nghịch lưu có thể cấp trực tiếp từ nguồn một chiều hoặc từ tụ điện. Trong thực tế người ta thường sử dụng tụ điện để tạo điện áp một chiều cấp cho bộ nghịch lưu. Để đảm bảo nguồn một chiều cấp cho nghịch lưu có giá trị ổn định một bộ điều chỉnh điện áp được sử dung. 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 điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng. Dòng bù này được coi như là tín hiệu chuẩn và dòng phát ra bởi bộ nghịch lưu phải đảm bảo bám theo dòng này. Để thực hiện điều này có thể có nhiều cách khác nhau như: phương pháp điều khiển Hysteresis, phương pháp hiệu chỉnh PI, phương pháp điều chế vector không gian, Hình 3.12. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực. 3.3.2. Phương pháp điều khiển PWM dòng điện Nguyên lý cơ bản: Giản đồ kích đóng các công tắc được xác định trên cơ sở so sánh dòng điện yêu cầu của tải và dòng điện thực tế đo được. Trong thực tế, điều khiển dòng điện có thể thực hiện theo kỹ thuật dùng mạch kích trễ (Hysteresis Current Control) hoặc dùng khâu điều chỉnh dòng điện (Ramp Comparision Curent Control). Các cấu trúc điều khiển đòi hỏi thông tin về dòng điện thực tế. Điều này có thể xác định bằng ba cảm biến dòng hoặc xác định hai dòng điện ba pha qua hai cảm biến dòng và xác định dòng điện thứ ba theo điều kiện dòng cân bằng. a.) b.) Hình 3.13. Cấu trúc điều khiển dòng điện a.) Phương pháp Hysteresis b.) Phương pháp hiệu chỉnh PI. Phương pháp dùng mạch tạo trễ (Hysteresis Current Control) : Trên hình 3.13a trình bày cấu trúc mạch điều khiển bộ nghịch lưu áp theo dòng điện, sử dụng mạch kích trễ. Cơ sở của phương pháp điều khiền này là phương pháp điều khiển dựa trên việc điều khiển dòng điện thực bám theo dòng điện chuẩn. Hình 3.14. Sơ đồ mô tả phương pháp Hysteresis. Theo đó một băng sai lệch sẽ được thiết lập với việc đặt sai lệc giới hạn trên và sai lệch giới han dưới và mục đích của phương pháp này là làm sáo cho dòng thực bám theo dòng chuẩn và nằm trong cùng khoảng dung sai này. Độ rộng băng sẽ bằng hai lần sai lệch, sai lệch là hiệu giữa dòng giới hạn trên với dòng chuẩn hoặc là hiệu giữa dòng chuẩn với dòng giới hạn dưới. Sự chuyển mạch của các van theo nguyên tắc như sau: - Khi sai lệch nằm trong khoảng của băng sai lệch thì không có sự chuyển mạch nào. - Khi dòng vượt quá giới hạn trên thì bộ nghịch lưu sẽ chuyển mạch sao cho dòng giảm xuống để sai lệch nằm trong vùng cho phép và ngược lại khi dòng giảm xuống dưới giới hạn dưới thì bộ nghịch lưu sẽ chuyển mạch để cho dòng tăng lên. Để rõ hơn, ta phân tích sự chuyển mạch của bộ nghịch lưu với dòng pha A: Hình 3.15. Điều khiển phát xung cho pha A của bộ lọc tích cực. Trong đó: i: là dòng thực pha A. i*: là dòng đặt pha A Di*: là sai lệch giữa dòng thực và dòng đặt. Hình 3.16. Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện pha A. Khi dòng thực i tăng dần tới dòng giới hạn trên thì v = 1 do đó T dẫn trong khoảng thời gian t khi đó dòng i tăng. Ở thời điểm t thì i tiến tới giới hạn trên Þ v = 0, v = 1 do đó T dẫn trong khoảng thời gian t. Tại thời điểm t thì i tiến tới giới hạn dưới Þ v = 1, v = 0 do đó T dẫn dòng i lại tăng lên và quá trình cứ lặp lại như ban đầu, T và T liên tục đóng cắt để dòng thực i nằm trong băng giới hạn trên và dưới. Theo phương pháp điều khiển này thì: - Điều chỉnh tần số dòng đặt thì sẽ điều chỉnh được tần số dòng thực. - Biên độ của dòng thực được điều chỉnh thông qua biên độ của dòng đặt. - Khi độ rộng của băng giảm thì dòng được điều chỉnh sẽ bám theo dòng đặt mịn hơn tuy nhiên khi đó tần số đóng cắt sẽ tăng lên. - Khi dòng đặt là sin thì dòng thực cũng là sin nhưng xuất hiện một số sóng hài bậc cao tuy nhiên có thể dễ dàng loại bỏ bằng việc sử dụng các bộ lọc LC ở đầu ra của bộ nghịch lưu. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, đáp ứng nhanh. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tần số chuyển mạch của van bán dẫn không xác định và thay đổi theo tải và sai số trong quá độ có thể đạt giá trị lớn. Sai số dòng điện có thể đạt 2 lần giá trị sai số cho bởi mạch tạo trễ. Các nhược điểm vửa nêu trên làm cho khả năng ứng dụng của phương pháp bị hạn chế đối với các tải công suất lớn. Phương pháp điều khiển dòng điện sử dụng hiệu chỉnh PI (Ramp Comparision Current Control): thực hiện đóng ngắt các công tắc với tần số cố định. Trên hình 3.13b, mô tả nguyên lý điều khiển dòng trong hệ tọa độ đứng yên (stationary frame) độ sai biệt giữa tín hiệu dòng điện đặt i và tín hiệu dòng điện đo được tác động lên khâu hiệu chỉnh dòng điện. Tín hiệu áp điều khiển ở ngõ ra của nó được so sánh với tín hiệu sóng mang tần số cao, và từ đó xác định lên xung kích cho các công tắc. Do sử dụng mạch điều chế với sóng mang có tần số không đổi nên phương pháp đã loại bỏ một số khuyết điểm của phương pháp điều khiển dùng mạch tạo trễ. Tuy nhiên ở xác lập, luôn tồn tại sự sai biệt dòng điện và sự chậm pha của đáp ứng so với tín hiệu đặt vì khâu hiệu chỉnh PI không thể theo kịp một cách chính xác các đại lượng xoay chiều biến thiên theo hình sin, đặc biệt ở tần số cao (xem hình 3.17). Hình 3.17. Giản đồ xung kích phương pháp điều khiển dòng điện sử dụng hiệu chỉnh PI. Nhược điểm hai dạng mạch điều khiển dòng điện trên là không có phối hợp giữa các quá trình điều khiển dòng điện của các pha. Do đó, không có khả năng điều khiển vector không và tổn hao do đóng cắt lớn khi chỉ số điều chế thấp. Điều này dẫn đến việc phát triển các phương pháp điều khiển vector dòng điện. Bộ nghịch lưu điện áp điều khiển theo dòng điện, còn được gọi là bộ nghịch lưu dòng điện nguồn áp, được ứng dụng trong điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển hệ thống lọc tích cực và bù công suất phản kháng hoặc làm nguồn cung cấp cho tải với hệ số công suất cao. 3.3. THIẾT KẾ MẠCH LỌC TÍCH CỰC SỬ DỤNG CHỈNH LƯU PWM 3.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng a. Khối nguồn Hệ thống nguồn 3 pha 3 dây cung cấp cho tải phi tuyến. Nguồn xoay chiều 3 pha có giá trị hiệu dụng U=220(V), tần số 50Hz, giá trị góc pha của các pha A, B, C lệch nhau 120. Mô hình nguồn ba pha: Hình 3.18. Mô hình nguồn xoay chiều ba pha. b. Mô hình tải Đây là đối tượng ta sẽ khảo sát từ đó thiết kế bộ lọc tích cực để lọc sóng điều hòa do tải phi tuyến gây ra, từ đó cải thiện được chất lượng điện năng. Mô hình tải phi tuyến: Hình 3.19. Mô hình tải phi tuyến. Mô hình gồm các khâu: Khâu chỉnh lưu và tải RL. Khâu chỉnh lưu ở đây ta dùng chỉnh lưu cầu diode, khâu này có tác dụng cung cấp nguồn một chiều cung cấp cho tải RL. Tải RL ở đây ta chọn có thông số như sau: R = 2(W), L = 1 (mH). c. Khâu đo dòng Hình 3.20. Khâu đo dòng. d. Khâu đo áp Hình 3.21. Khâu đo điện áp xoay chiều ba pha. e. Xác định giá trị điện áp một chiều cung cấp cho mạch nghịch lưu Giá trị cực tiểu của điện áp một chiều: U > U = 2.45U (3.1) Thông thường chọn điện áp một chiều ở giá trị: U = (1.2 ¸ 1.3)U (3.2) Từ (3.1) và (3.2), ta tính được điện áp một chiều cấp cho bộ nghịch lưu là U = 700 (V). f. Khâu tính toán tạo xung cho bộ điều khiển. Hình 3.22. Khâu tính toán, tạo xung cho bộ điều khiển. Trong khâu bao gồm các khâu: Khâu chuyển hệ trục tọa độ abc Þ ab: chuyển dòng và áp từ khung tọa độ abc sang khung tọa độ ab để phục vụ cho tính toán công suất tác dụng và công suất phản kháng theo thuyết công suất tức thời p-q. Hình 3.23. Khâu chuyển điện áp từ khung tọa đọ abc sang khung tọa độ ab Hình 3.24. Khâu chuyển dòng điện từ khung tọa độ abc sang khung tọa độ ab. Khối tính toán công suất P, Q: Hình 3.25. Khôi tính toán công suất P, Q. a. Khối tính công suất P b.Khối tính công suất Q Hình 3.26. Cấu trúc khối tính công suất. Khối tính công suất bù: Hình 3.27. Khối tính toán công suất bù cung cấp bởi mạch lọc Trong khối này sử dung mạch lọc thông thấp, chức năng của nó là lọc bỏ các thành phần xoay chiều, giữ lại thành phần một chiều chiều. Như vậy khi đi qua khối tính công suất bù ta sẽ loại bỏ được thành phần một chiều (thành phần dòng điện cơ bản) và giữ lại thành phần xoay chiều (thành phần sóng điều hòa bậc cao). Khối tính toán dòng cần đặt trong hệ ab: dòng bù cần thiết trong hệ ab được tính theo công thức (3.6). Hình 3.28. Khối tính toán dòng bù cần thiết trong hệ ab. Khối tính toán dòng đặt trong hệ abc: Dòng đặt trong hệ abc được tính bằng cách chuyển dòng đặt đã được tính toán trong hệ ab sang hệ abc. Hình 3.29. Khối tính toán dòng bù trong hệ abc. Khối phát xung điều khiển cho IGBT Hình 3.30. Khối phát xung điều khiển cho IGBT. Khối phát xung này có nhiệm vụ đảm bảo dòng điện ra của bộ lọc tích cực phải bám theo dòng điện đặt. Để đảm bảo điều đó thì bộ điều khiển được dùng ở đây là bộ điều khiển dòng được điều khiển theo phương pháp dùng mạch tạo trễ (Hysteresis Current Control). g. Khối công suất (Khối mạch nghịch lưu) Hình 3.31. Khối mạch công suất. Khối này bao gồm các van bán dẫn công suất IGBT và cuộn cảm. Cuộn cảm có tác dụng như một kho tích trữ năng lượng, khi có dòng điện chạy qua nó sẽ tích trữ một năng lượng từ trường. Khi trị số điện cảm quá lớn, năng lượng từ trường này này càng lớn và nó sẽ làm cho sự thay đổi dòng điện chậm lại và không bám theo được sự thay đổi của dòng bù chuẩn ở tần số cao. Ngược lại nếu trị số dòng điện cảm quá nhỏ sẽ làm cho sự thay đổi của dòng điện biến thiên nhanh, kết quả làm cho số chuyển mạch của bộ nghịch lưu tăng và gây tổn thất trong van bán dẫn tăng. Các van bán dẫn được chọn sao cho phải có tần số đóng cắt lớn và chịu được dòng điện cao. 3.3.2. Khảo sát với nguồn điện lý tưởng Cấu trúc hệ thống lọc tích cực: Hình 3.32. Sơ đồ mô phỏng bộ lọc tích cực với nguồn đầu vào là nguồn lý tưởng Trong trường hợp này ta sẽ khảo sát với nguồn điện lý tưởng (sin và cân bằng). Nguồn lý tưởng cấp cho tải phi tuyến: Hình 3.33. Nguồn lý tưởng cấp cho tải phi tuyến. Đầu tiên chúng ta khảo sát dòng điện nguồn khi chưa có mạch lọc tích cực. Ta có hình dạng dòng điện pha A khi chưa có mạch lọc tác động: Hình 3.34. Dòng điện pha A khi chưa có mạch lọc tác động. Phân tích phổ pha A chúng ta thấy được tỷ lệ các thành phần sóng hài khá cao với THD = 30.09%. Hình 3.35. Phân tích dòng pha A khi chưa có mạch lọc tác động Bảng 3.1. Tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa trong dòng điện pha A khi mạch lọc chưa tác động Bậc sóng điều hòa Tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa 0 Hz (DC): 0.01% 50 Hz (Fnd): 100.00% 100 Hz (h2): 0.06% 150 Hz (h3): 0.02% 200 Hz (h4): 0.06% 250 Hz (h5): 22.61% 300 Hz (h6): 0.03% 350 Hz (h7): 11.30% 400 Hz (h8): 0.06% 450 Hz (h9): 0.02% 500 Hz (h10): 0.06% 550 Hz (h11): 9.01% 600 Hz (h12): 0.03% 650 Hz (h13): 6.43% 700 Hz (h14): 0.06% 750 Hz (h15): 0.02% 800 Hz (h16): 0.06% 850 Hz (h17): 5.61% 900 Hz (h18): 0.03% 950 Hz (h19): 4.47% Khi có mạch lọc tác động, quan sát dòng điện nguồn phía trước mạch lọc ta thấy dòng điện đã có hình sin, các thành phần sóng bậc cao đã được giảm đáng kể Hình 3.36. Dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động. Tuy nhiên để đánh giá được chất lượng của bộ lọc đối với việc triệt tiêu các thành phần điều hòa xoay chiều bậc cao ta cần đánh giá qua hệ số biến dạng dòng điện THD, hệ số này phải nằm trong tiêu chuẩn cho phép. Việc này được thực hiện thông qua phân tích dòng điện điều hòa bậc cao. Ta phân tích với dòng pha A. Hình 3.37. Dòng điện nguồn pha A trước và sau khi mạch lọc tác động. Tiếp theo ta phân tích phổ dòng điện pha A tại các thời điểm khác nhau sau khi mạch lọc tác động qua đó sẽ thấy được tác động của mạch lọc tích cực đối với sự biến thiên của các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Hình 3.38. Phân tích dòng điện pha A khi mạch lọc tác động. Từ phân tích ở trên ta nhận thấy hệ số méo dạng dòng điện THD là 5,39%. Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE std 519 ta thấy hệ số THD đã gần thỏa mãn theo tiêu chuẩn (<5%) như vậy trong trường hợp này mặc dù bộ lọc chưa đáp ứng được yêu cầu đề ra xong cũng đã đảm bảo tương đối tốt với chất lượng dòng điện trên lưới điện. Bảng sau đưa ra tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa bậc cao trong dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động. Bảng 3.2. Tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa pha A khi có bộ lọc tác động: Bậc sóng điều hòa Tỷ lệ các thành phần sóng điều hòa 0 Hz (DC): 0.11% 50 Hz (Fnd): 100.00% 100 Hz (h2): 0.15% 150 Hz (h3): 1.77% 200 Hz (h4): 0.07% 250 Hz (h5): 1.47% 300 Hz (h6): 0.09% 350 Hz (h7): 0.88% 400 Hz (h8): 0.05% 450 Hz (h9): 0.02% 500 Hz (h10): 0.07% 550 Hz (h11): 0.78% 600 Hz (h12): 0.11% 650 Hz (h13): 1.16% 700 Hz (h14): 0.08% 750 Hz (h15): 0.07% 800 Hz (h16): 0.06% 850 Hz (h17): 1.12% 900 Hz (h18): 0.09% 950 Hz (h19): 1.05% Đối chiếu với bảng 3.1 ta thấy mặc dù xuất hiện thêm một số thành phần sóng điều hòa mới nhưng tỷ lệ của chúng rất nhỏ so với thành phần cơ bản, các thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11 đã giảm đi rõ rệt so với khi chưa có mạch lọc tác động. Theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 thì các thành phần sóng điều hòa bậc cao trong dòng điện lưới phải nhỏ hơn một giá trị cho phép. Căn cứ vào kết quả phân tích các thành phần điều hòa bậc cao trong dòng điện lưới theo bảng 3.2 và đối chiếu với tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 ta thấy tỷ lệ các thành phần điều hòa bậc cao đều nằm trong tiêu chuẩn. Như vậy bộ lọc đáp ứng được yêu cầu. 3.3.3. Thiết kế thi công mô hình mạch lọc tích cực a. Khối mạch nghịch lưu Hình 3.39. Sơ đồ nguyên lý khối nghịch lưu. Hình 3.40. Hình ảnh thực tế mạch nghịch lưu. Khối này làm chức năng đóng cắt theo thuật toán điều khiển để tạo ra dòng bù cần thiết. b. Khối Driver cho IGBT Sơ đồ nguyên lý mạch driver cho IGBT. Hình 3.41. Sơ đồ nguyên lý mạch driver IGBT. Trong đó bao gồm các module nguồn, module điều khiển cho từng IGBT, module tạo xung áp. Module nguồn: Hình 3.42. Sơ đồ nguyên lý module nguồn nuôi. Module này cung cấp nguồn 5V và 3.3V cho các IC điều khiển IGBT. Trong module sử dụng 2 IC H1117-5V và H1117-3V, hai IC này có tác dụng tạo ra điện áp ổn định lần lượt là 5 (V) và 3 (V) cung cấp nguồn nuôi cho IC điều khiển. Module điều khiển IGBT: Hình 3.43. Sơ đồ nguyên lý module điều khiển IGBT. Module này có chức năng điều khiển việc đóng mở IGBT, ngoài ra nó còn có chức năng bảo vệ cho IGBT. Để làm được điều đó thì module sử dụng IC HCPL 316J. HCPL 316J là một thiết bị điều khiển công suất được tích hợp cao kết hợp chặt chẽ tất cả các thành phần cần thiết một cách đầy đủ, cách ly cực điều khiển IGBT cùng với bảo vệ lỗi và phản hồi trong 1 IC kiểu SO-16. Mức logic đầu vào chuẩn TTL cho phép giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển, và cách ly quang với đầu ra điều khiển IGBTs với công suất tối đa lên đến 150A và 1200V. Với bộ cách ly quang tốc độ cao giảm thiểu tối đa sự chậm trễ trong việc chuyền dẫn giữa vi điều khiển và IGBT trong khi cho phép hai hệ thống để hoạt động ở rất nhiều chế độ điện áp khác nhau được phổ biến trong động cơ công nghiệp và các ứng dụng chuyển đổi năng lượng khác. Một vi mạch đầu ra cung cấp bảo vệ cho IGBT để tránh hỏng hóc khi quá dòng, và một cách ly quang thứ 2 phản hồi trạng thái lỗi tín hiệu phản hồi cho vi điều khiển. Mạch giám sát điện áp cung cấp điện áp làm đóng IGBT khi điện áp điều khiển ở cực điều khiển không đủ. Cực điều khiển IGBT tích hợp được thiết kế để tăng hiệu suất và độ tin cậy của một bộ điều khiển mà tốn ít chi phí, kích thước và độ phức tạp hơn một bộ điều khiển thiết kế rời rạc. Module tạo xung áp: Hình 3.44. Sơ đồ nguyên lý của module tạo xung áp Trong module sử dụng IC IR2151 để tạo xung điều khiển đóng cắt cho 2 mosfet IRF640. IR2151 là IC có điện áp cao, tốc độ cao, tự dao động để điều khiển MOSFET và IGBT với cả hai kênh cao và thấp. Với công nghệ HVIC (High-Voltage Integrated Circuit) và chốt CMOS cho khả năng chịu đựng rất tốt. Đầu ra bộ điều khiển có một xung đệm dòng lớn và bên trong bộ deadtime được thiết kế tăng độ truyền dẫn cho bộ điều khiển. Sự tác động trễ giữa hai kênh được kết hợp để đơn giản hóa sử dụng trong các ứng dụng có chu kỳ 50%. Mỗi kênh có thể được sử dụng để điều khiển MOSFET kênh N hoặc IGBT phía cao hoạt động ở điện áp cao lên đến 600 volts. Với khả năng như vậy, nên IR2151 được ứng dụng trong mạch làm chức năng tạo ra xung áp với tần số cao để cấp cho đầu vào của biến áp xung tạo điện áp đóng hay mở IGBT. Sơ đồ thức tế của mạch driver cho IGBT: Hình 3.45. Hình ảnh thực tế mạch driver cho IGBT c. Khối mạch vi điều khiển. Vi điều khiển được dùng ở đây là DSP TMS320F2812. DSP F2812 là vi điều khiển có hầu như tất cả các thiết bị ngoại ngoài vi cần thiết để xây dựng một hệ thống điều khiển. Các thiết bị ngoại vi tích hợp trên F2812 có một ưu thế quan trong so với các dòng vi điều khiển khác, một ngoại vi đơn giản nhất là GPIO. Tất cả các đầu vào ra số đều được nhóm lại thành các cổng gọi là GPIO ( General Purpose Input Output). F2812 được trang bị rất nhiều tính năng bên trong, tuy nhiên không phải tất cả các tính năng đều có thể kết nối đến các chân chuyên dùng của thiết bị cùng một lúc. Giải pháp cho việc này là sử dụng bộ dồn kênh (Mutiplex - MUX). Có nghĩa là một chân có thể sử dụng cho hai hoặc ba chức năng khác nhau và nó được lựa chọn bởi người lập trình. Một trong những ngoại vi quan trọng của DSP F2812 là ADC. Nó tạo giao diện quan trọng giữa bộ điều khiển và các thông số thực. Mục đích của bộ ADC là chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào tương tự và đầu ra số được cho bởi công thức: V = + V V và V là điện áp tham chiếu được sử dụng để giới hạn dải điện áp tương tự. Bất kỳ điện áp đầu vào nào vượt quá điện áp cho phép thì sẽ tạo ra một số digital bão hòa. Trọng trường hợp của F2812 là từ 0 (V) đến 3 (V). Bộ ADC của F2812 là 12bit (n=12) do đó: V = Hầu hết các tín hiệu ứng dụng đòi hỏi không chỉ một tín hiệu tương tự đầu vào để chuyển đổi thành tín hiệu số, do đó F2812 được trang bị với 16 chân ADC đầu vào chuyên dụng để đo các tín hiệu tương tự. Ngoài ra F2812 cũng tích hợp nhiều ngoại vi khác như: giao tiếp RS232, CAN, SPI, Không chỉ với khả năng tích hợp nhiều ngoại vi thông dụng, DSP F2812 còn có khả năng xử lý nhanh với bộ dao động lên tới 150MHz, không những thế với khả năng hỗ trợ lập trình của Matlab và CCS, công việc lập trình cho DSP F2812 trở lên cực kỳ đơn giản và dễ dàng dối với những người mới làm quen với dòng vi điều khiển này. Đó cũng là một trong số lý do làm cho vi điều khiển này là thích hợp trong việc điều khiển bộ lọc tích cực. Sau đây là sơ đồ nguyên lý của mạch vi điều khiển TMS320F2812: Hình 3.46. Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển Hình ảnh mạch thực: Hình 3.47. Hình ảnh mạch thực của mạch vi điều khiển. d. Khối mạch cảm biến dòng và áp. Sơ đồ nguyên lý của mạch đo dòng điện. Hình 3.48. Sơ đồ nguyên lý của mạch đo dòng điện Trong mạch đo dòng ta sử dụng IC đo dòng chuyên dụng ACS712-20 đo dòng lên tới 20 (A) với nguyên lý hiệu ứng Hall do đó nó có khả năng cách ly mạch động lực với mạch điều khiển, đồng thời nó chuyển đổi tín hiệu dòng thành tín hiệu áp rất tiện dụng cho việc tính toán. Dưới đây là hình ảnh mạch thực của mạch đo dòng điện Hình 3.49. Hình ảnh thực của mạch đo dòng điện Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện áp: Hình 3.50. Sơ đồ nguyên lý của mạch đo điện áp. Mạch đo áp có tác dụng giữ nguyên được hình dạng điện áp lưới với biên độ nhỏ hơn, đồng thời nâng toàn bộ điện áp lên phía trên của trục hoảnh để đưa về vi điều khiển xử lý tính toán. Để đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển, trong mạch có sử dụng IC ISO-122P, đây là IC có khả năng cách ly điện áp đồng thời có thể giữ nguyên được hình dạng của điện áp đầu vào. Sau đây là hình ảnh thực của mạch đo áp ba pha. Hình 3.51. Hình ảnh thực của mạch đo điện áp. f. Mô hình thực mạch lọc tích cực song song Hình ảnh dưới đây là kết quả sau khi kết nối các khối chức năng của toàn bộ mô hình mạch lọc tích cực. Hình 3.52. Mô hình thực mạch lọc tích cực song song. 3.3.4. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng. Hình 3.52. Kết quả giá trị điện áp và dòng điện ADC đo được. Từ kết quả đọc được từ các thanh ghi ADC của vi điều khiển ta tính toán được giá trị thực của điện áp và dòng điện. Hình ảnh sau thể hiện kết quả thực của điện áp và dòng điện. Hình 3.53. Giá trị mô phỏng của điện áp và dòng điện Hình 3.54. Giá trị thực của điện áp và dòng điện Từ hình ảnh trên ta thấy khi lắp thêm tải phi tuyến thì tín hiệu dòng điện bị méo, điều đó có nghĩa là dòng điện có chứa các thành phần sóng hài bậc cao. Các kết quả của các phép tính được thể hiện qua các hình ảnh sau: Hình 3.55. Kết quả mô phỏng của điện áp trên hệ ab Hình 3.56. Giá trị điện áp trên hệ trục ab khi tính toán trên DSP Hình 3.57. Kết quả mô phỏng dòng điện Ia trên hệ ab Hình 3.58. Kết quả mô phỏng dòng điện Ib trên hệ ab Hình 3.59. Giá trị dòng điện trên hệ trụcab khi tính toán trên DSP Hình 3.60. Kết quả mô phỏng của công suất P trong hệab Hình 3.61. Kết quả mô phỏng của công suất Q trong hệab Hình 3.62. Giá trị của công suất P, Q trên hệ ab khi tính toán trên DSP Hình 3.63. Kết quả mô phỏng của dòng đặt pha A trong hệ abc Hình 3.64. Giá trị của dòng điện đặt pha A trong hệ abc khi tính toán trên DSP Để kiểm tra kết quả của dòng điện đặt ta tiến hành lấy giá trị dòng điện đo được trừ đi giá trị của dòng đặt ta được giá trị lý tưởng dòng điện sau bù. Ở đây ta lấy giá trị dòng đặt và dòng điện thực đo được của pha A, kết quả được biểu thị ở hình sau: Hình 3.65. Giá trị lý tưởng của dòng điện sau bù khi mô phỏng. Hình 3.66. Giá trị lý tưởng của dòng điện sau bù khi tính toán trên DSP Từ kết quả trên ta nhận thấy rằng giá trị dòng cần bù được tính toán theo thuyết p-q là chính xác. KẾT LUẬN Đề tài tốt nghiệp về nghiên cứu tổng quan lọc tích cực, xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực song song là một đề tài khá thú vị và mới mẻ, phạm vi nghiên cứu tương đối rộng và để hoàn thành nó cần phải có sự tìm tòi rất nhiều tài liệu và đòi hỏi chúng em phải nỗ lực rất nhiều. Hơn thế nữa đề tài này đã đem lại cho em nhiều kiến thức thực tế như cách thi công thiết kế mạch công suất, các phương pháp lập trình điều khiển mới mẻ, Dưới đây là những đánh giá những kết quả đạt được của đồ án. Đồ án tốt nghiệp đã đi vào nghiên cứu về sóng hài và các ảnh hưởng của sóng hài tới chất lượng điện năng và các phương pháp hạn chế sóng hài cũng như việc thiết kế bộ lọc tích cực cho các thiết bị tải phi tuyến. Khi đã lắp thêm bộ lọc thì kết quả là chỉ số THD đã giảm đi rất đáng kể. Nhưng kết quả này chưa được như mong muốn là giảm chỉ số THD xuống dưới 5% theo tiêu chuẩn IEEE 519. Hướng phát triển của đề tài là tiếp tục tìm hiểu nguyên nhân chưa đạt yêu cầu, hiệu chỉnh nó và ứng dụng kết quả này cho các tải phi tuyến khác. Ngoài ra có thể kết hợp cuộn kháng lọc với các tụ bù nhằm đạt được hiệu quả cao nhất. 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 hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt. [1]. Nguyễn Bính, “Điện tử công suất”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội - 2000. [2]. Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội - 2005. [3]. Nguyễn Hữu Phúc, “Sử dụng phần mềm phân tích và tính toán lưới điện PSS/ADEPT”, Trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh - 2007. Tiếng Anh. [4]. Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Wantanabe, Mauricio Aredes, “Instantaneous Power Theory And Applications to Power Conditioning”, IEEE Book and Information Services - 2007. Một số bài báo. [5]. Kamalakanta Mahapatra, P.Karuppanan, “PLL Synchronization with PID Controller Based Shunt Active Power Line Conditioners”. International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol.3, No.1, February - 2011, 1793-8163. [6]. Luis A. Morán, Juan W. Dixon, Rogel R, Wallace, “A Three-Phase Active Power Filter Operating with Fixed Switching Frequency for Reacyive Power and Current Harmonic Compensation”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONIC, số 4, năm 1995, 402-407. [7]. Thomas M. Blooming, Daniel J. Carnovale, “Application of IEEE std 519 - 1992 Harmonic Limits”.