ĐIỀU KHIỂN MẠCH LỌC TÍCH CỰC ĐỂ GIẢM SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG Chất lượng điện năng ở đây là phải cung cấp liên tục và đảm bảo về điện áp, tần số và dạng sóng. Ở Việt Nam tất cả các thiết bị sử dụng 1 pha có điện áp 220V tần số 50hz, thiết bị điện công nghiệp 3 pha điện áp dây là 380V tần số 50hz, dạng sóng điện áp hình sin. Ngày nay việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử công suất như máy hàn điện, bộ nguồn ngắt dẫn, lò nhiệt, bộ điều khiển tốc độ động cơ…. Những thiết bị điện tử này thường là tải phi tuyến làm méo dạng sóng nguồn dòng điện hình sin, gây nhiễu cho các thiết bị khác, cho nên phải lắp thêm các thiết bị khác để chống nhiễu là việc làm cần thiết.
Trang 1CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu.
Điện năng là nguồn năng lượng chủ yếu trên toàn Thế Giới, Việt Nam cũng đang từng bước đưa nguồn năng lượng này tới các vùng sâu vùng xa… Đây là nguồn năng lượng chủ yếu cho sinh hoạt gia đình và trong công nghiệp sản xuất Điện năng được truyền tải phân phối khắp mọi nơi từ thành phố đến nông thôn, điện năng được hòa đồng bộ từ bắc tới nam Cuộc sống xã hội phát triển con người sử dụng chủ yếu nguồn năng lượng này trong mọi lĩnh vực kinh tế xã hội, sinh hoạt gia đình và vui chơi giải trí, đặc biệt là kỷ thuật điện tử ngày càng phát triển mạnh, nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao Cho nên điện năng ngày càng được chú ý phát triển và phải đảm bảo chất lượng nguồn cung cấp
Chất lượng điện năng ở đây là phải cung cấp liên tục và đảm bảo về điện áp, tần số và dạng sóng Ở Việt Nam tất cả các thiết bị sử dụng 1 pha có điện áp 220V tần số 50hz, thiết bị điện công nghiệp 3 pha điện áp dây là 380V tần số 50hz, dạng sóng điện áp hình sin
Ngày nay việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử công suất như máy hàn điện, bộ nguồn ngắt dẫn, lò nhiệt, bộ điều khiển tốc độ động cơ… Những thiết
bị điện tử này thường là tải phi tuyến làm méo dạng sóng nguồn dòng điện hình sin, gây nhiễu cho các thiết bị khác, cho nên phải lắp thêm các thiết bị khác để chống nhiễu là việc làm cần thiết
Trên thực tế có nhiều dạng bù nhiễu khác nhau, chủ yếu là bù công suất phản kháng đã bị mất đi, có thể là bộ tụ bù lọc nhiễu bù nền hay ứng động với dung lượng bù được điều khiển qua đồng hồ đo công suất
Mạch lọc tích cực là dạng bù có tính toán, bù đúng với lượng nhiễu gây ra Mạch lọc tích cực phát ra sóng hài có biên độ và tần số như sóng hài của tải nhưng ngược pha với sóng hài của tải để triệt tiêu sóng hài tải Cho nên mạch lọc tích cực
có nhiều ưu điểm trong ngành điện công nghiệp, hi vọng mạch lọc này sẽ đáp ứng được trong thực tế cho mạng điện với giá thành thấp
Trang 2Việc thiết kế mạch lọc tích cực để triệt tiêu sóng hài cho những tải phi tuyến là việc làm cần thiết Mạch lọc tích cực dựa vào dòng điện tải phi tuyến xác định hài dòng điện, thông qua tính toán tạo ra dòng điều khiển mạch nghịch lưu 3 pha để đưa lượng bù cần thiết lên lưới, ở đây chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu và mô phỏng trên matlab simulink
Việc thiết kế mạch lọc này dựa trên việc điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 4 dây gồm 8 IGBT, hay còn gọi là điều khiển bộ biến tần Ngày nay bộ biến tần được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy xí nghiệp ở Việt Nam, biến tần còn được ứng dụng để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, mục đích làm cho tốc độ truyền động phù hợp với tốc độ cơ cấu sản xuất
Mạch lọc tích cực được ứng dụng lọc nhiễu dòng điện, điều khiển bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất Điện lực Việt Nam cũng mong muốn các nhà máy xí nghiệp có lọc tích cực để ổn định hệ thống nguồn điện cung cấp, cho nên giá trị tiền điện cũng dựa trên hệ số công suất và phạt những xí nghiệp có tải bất
ổn định (tải phi tuyến) Ứng dụng mạch lọc tính cực trên hệ thống điện là việc làm cần thiết để ổn định hệ thống nguồn điện cung cấp trong giai đoạn hiện nay
Trên thế giới người ta đã nghiên cứu mạch lọc tích cực rất nhiều và ứng dụng trên thực tế với nhiều kiểu điều khiển khác nhau: PI, PID, fuzzy logic để điều khiển mạch nghịch lưu, mạch ngịch lưu cũng có nhiều dạng khác nhau: nghịch lưu hai bậc, ba bậc, đa bậc… với nhiều dạng thuật toán điều khiển khác nhau
Mạch lọc tích cực trong bài luận văn này được điều khiển PI, nhưng dò tìm thông số bằng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO, ngoài ra còn có thuật toán di truyền GA Ở đây dùng thuật toán PSO để tìm thông số tối ưu cho khâu điều khiển
PI
Các nghiên cứu trong nước:
“Thiết kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện và bù công suất phản kháng cho lò nấu thép cảm ứng” của Bùi Quốc Khánh- Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội và Nguyễn Kim Ánh- Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Bài
Trang 34(33).2009 Bài báo này cũng đưa thuật toán điều khiển PI đưa lượng Ploss vào điều khiển mạch nghịch lưu, mô phỏng lò nấu thép cảm ứng kết hợp với mạch lọc AF
“Ứng dụng logic mờ điểu khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài dòng điện” của Phan Văn Hiền- Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng và Huỳnh Ngọc Thuận- HV cao học khóa 2008-2011, bài báo này đã được đăng lên tạp chí khoa học và công nghệ, đại học Đà Nẵng- số 1(42).2011 Đây là bài báo nói về mạch điều khiển dùng logic mờ để điều khiển mạch lọc
Tạp chí IEE Proceedings Electric Power Applications đã đăng bài báo nghiên cứu của TS Nguyễn Văn Nhờ và Myung Joong Youn năm 2006, bài báo này đã đưa ra lý thuyết SVPWM và CPWM
Các nghiên cứu ngoài nước:
Suresh Mikkili, Anup Kumar Panda “Instantanneous Active and Reactive Power and Current Strategies for Current Harmonics Cancellation in 3-ph 4-Wire
SHAF with Both PI and Fuzzy Controllers” Energy and Power Engineering, 2011,
3, 285-298 Bài báo này đã đưa hai phương pháp điều khiển mạch lọc bằng PI và Fuzzy logic cho mạch 3 pha 4 dây
M Suresh, A K Panda and Y Suresh, “Fuzzy Controller Based 3Phase 4-Wire Shunt Activer Filter for Mitigation of Curent Harmonics with Combined p-q and i d-i q Control Strategies” Joyrnal of Energy and Power Engineering, Vol.3, No
1, 2011, pp 43-52 Bài báo này đưa ra phương pháp điều khiển mạch lọc 3 pha 4 dây bằng phương pháp Fuzzy logic
Z Peng, et al., “Harmonic and Reactive Power Compensation Based on the
Generalized Instantaneous Reactive Power Theory for Three-Phase Four-Wire
Systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 13, No 5, 1998, pp
1174-1181 Doi:10.1109/63.728344 Bài báo này nói về hài trong mạch 3 pha 4 dây
và điều khiển theo công suất Ploos
V Soares, et al., “Active Power Filter Control Circuit Based on the
Instantaneous Active and Reactive Current i d-i q Method,” IEEE Power Electronics
Trang 4Specialists Conference, Vol.2, 1997, pp 1096-1101 Bài báo này nói về điều khiển
theo hai dạng công suất và dòng điện
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Tính cấp thiết của đề tài:
Ngày nay vấn đề lọc nhiễu đang được quan tâm rất nhiều trong các nhà máy xí nghiệp, mục đích để làm giảm sóng hài dòng trong hệ thống nguồn điện cung cấp Việc làm này có ý nghĩa nâng cao chất lượng điện năng nguồn cung cấp, nâng cao
hệ số công suất nguồn và làm giảm giá thành tiền điện, góp phần cho các thiết bị điện và điện tử có độ nhạy cao tác động chính xác hơn và dứt khoát
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Bài luận văn này trình bày việc làm giảm sóng hài bằng mạch lọc tích cực song song điều khiển bằng phương pháp PI, tối ưu hóa thông số Kp và Ki bằng giải thuật toán bầy đàn PSO Kết quả được mô phỏng bằng Matlab Simulink
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: là thiết kế mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây có thể ứng
dụng vào trong thực tế hệ thống điện 3 pha 4 dây với các loại tải phi tuyến gây ra sóng hài dòng điện Mục đích chính là triệt tiêu sóng hài do tải phi tuyến gây ra, để cuối cùng tín hiệu dòng diện nguồn ở dạng sin chuẩn, tải phi tuyến không làm méo dạng dòng điện nguồn
Khách thể: là điều khiển mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây gồm có 8 IGBT, điều
khiển sao cho mạch nghịch lưu phát sóng hài ngược pha với với sóng hài tải nhằm triệt tiêu sóng hài trên lưới điện nguồn
Đối tượng nghiên cứu: là nguồn điện, tải, mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây,
dùng phương pháp PI để điều khiển và tối ưu thông số Kp và Ki bằng giải thuật bầy đàn PSO
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
Nhiệm vụ nghiên cứu:
Nghiên cứu thuật toán và thiết kế tính toán
Trang 5Đánh giá kết quả bằng Matlab Simulink
Giới hạn đề tài:
Thời gian nghiên cứu có hạn nên chỉ tập trung nghiên cứu mô phỏng chưa có
mô hình thực tế, tuy nhiên cũng đã thể hiện đầy đủ một mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây cho các loại tải phi tuyến
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Đọc và tham khảo sách giáo khoa điện tử công suất, với sự đóng góp ý kiến thầy hướng dẫn, xem các bài báo liên quan đến quá trình nghiên cứu đề tài: Chất lượng điện năng, lý thuyết công suất tức thời, phương pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất, mạch lọc tích cực, Matlab Simulink…
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn PSO thông qua các bài báo, trao đổi kinh nghiệm với các bạn làm PSO khóa trước, viết thuật toán điều khiển PSO đưa vào khâu điều khiển PI để điều khiển mạch nghịch lưu
Tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn để cho ra thuật toán điều khiển mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây, điều khiển mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây bằng phương pháp điều khiển PI nhưng tối ưu hóa thông số Kp và Ki bằng giải thuật bầy đàn PSO Phương pháp thực nghiệm: Làm mô hình nghiên cứu và được kiểm chứng bằng thực hiện mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab Simulink