Trong bài viết này, một mô hình đơn giản về Bộ lọc tích cực trong hệ thống có tải phi tuyến ba pha được đề xuất. Sơ đồ điều khiển bộ lọc là điện áp đầu ra bộ nghịch lưu làm việc như là nguồn cung cấp điện AC.
Trang 1Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha
dưới tác động của tải phi tuyến
Simulation model of three-phase active filter under the impact of nonlinear loads
ThS Huỳnh Lê Minh Thiện, Trường Đại học Sài Gòn Huynh Le Minh Thien, M.Sc., Saigon University
TS Hồ Văn Cừu, Trường Đại học Sài Gòn
Ho Van Cuu, Ph.D., Saigon University
TS Trần Thanh Vũ, Trường Đại học Sài Gòn Tran Thanh Vu, Ph.D., Saigon University ThS Đỗ Đăng Trình, Trường Đại học Tây Đô
Do Dang Trinh, M.Sc., Tay Do University
Tóm tắt
Trong bài báo này, một mô hình đơn giản về Bộ lọc tích cực trong hệ thống có tải phi tuyến ba pha được đề xuất Sơ đồ điều khiển bộ lọc là điện áp đầu ra bộ nghịch lưu làm việc như là nguồn cung cấp
điện AC Mô hình phi tuyến của hệ thống bao gồm bộ lọc LC trong khung tham chiếu đồng bộ d-q-0
Sau đó, các dòng phản hồi đầu vào-đầu ra được điều khiển bỡi khối điều khiển PI để tránh những tính toán phức tạp và đơn giản hóa thêm cấu trúc bộ điều khiển Ngoài ra, một bộ lọc thấp qua và một bộ lọc cao qua được sử dụng để loại bỏ sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến để nâng cao chất lượng nguồn Hiệu quả của phương pháp điều khiển đã được chứng minh bằng các kết quả mô phỏng
Từ khóa: lọc nguồn tích cực, tải phi tuyến, bộ lọc nguồn tích cực mắc song song, bộ lọc tích cực 3 pha,
bộ điều khiển PI, tải không cân bằng
Abstract
In this paper, a simple model of Active filter to regulate the three-phase nonlinear loads is proposed The control scheme is output line-to-neutral voltages of a split-capacitor inverter as an AC power supplies First, the nonlinear model of the system consisting of LC filter is obtained in the d-q-0 synchronous reference frame Then, the input-output feedback currents are applied through the PI approach, which avoids the complex calculations and simplifies the controller structure Also, a low-pass filter and a high-low-pass filter are employed for the PI controller to eliminate the harmonic wave caused by nonlinear loads to improve the source quality The validity of the control method has been verified by simulation results
Keywords: active power filter, nonlinear load, SAPF (Shunt Active Power Filter), three-phase active
filter, PI controller, unbalanced load
Trang 21 Giới thiệu
Việc sử dụng các tải phi tuyến như bộ
biến đổi tốc độ động cơ, máy hàn hồ quang
điện, và nguồn điện sử dụng chuyển mạch
điện tử gây ra một lượng lớn dòng điện hài
trong hệ thống phân phối điện Những
dòng hài này làm méo dạng điện áp, tăng
tổn thất điện năng và làm nóng máy biến
áp, gây mất ổn định trong hoạt động của
thiết bị điện tử
Để cải thiện chất lượng nguồn cho
mạng lưới phân phối, các bộ lọc thụ động
truyền thống như điện cảm (L), điện dung
điện cảm (LC) và điện cảm điện dung điện
cảm (LCL) đã được sử dụng để loại bỏ các
sóng hài dòng và nâng cao công suất tải hệ
số Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế,
các bộ lọc bậc hai thụ động này có nhiều
nhược điểm như vấn đề lão hóa và điều
chỉnh, cộng hưởng song song, và yêu cầu
phải thực hiện một bộ lọc riêng cho mỗi
tần số sóng hài cần được loại bỏ
Để khắc phục những vấn đề này, các
bộ lọc tích cực đã được đề xuất trong [1, 2]
để nghiên cứu về khả năng cải thiện chất
lượng nguồn Tác giả và nhóm của tác giả vẫn tiếp tục tìm kiếm phương pháp điều khiển mới cho bộ lọc tích cực
Trong những năm gần đây, các bộ lọc tích cực (APF) dựa trên bộ chuyển đổi PWM được phát triển rộng rãi và được coi
là một giải pháp khả thi Tuy nhiên, hầu hết chúng đều dựa trên các sóng hài cảm ứng và các yêu cầu về điện áp xung không tải tuyến tính [4-6] và đòi hỏi hệ thống điều khiển phức tạp Duke and Round đã
đề xuất một chương trình trong đó dòng điện bù yêu cầu được xác định bằng cách
sử dụng một kỹ thuật Sinusoid tổng hợp bằng cảm biến dòng Nghiên cứu này được phát triển thêm bằng cách chỉ dùng cảm biến dòng [8], đơn giản và dễ thực thi
mô hình
2 Mô hình hệ thống sử dụng bộ lọc tích cực
Mô hình đơn giản được trình bày như hình 1 mô tả hệ thống nguồn 3 pha tải phi tuyến có sử dụng bộ lọc tích cực mắc song song, bảng 1 mô tả các tín hiệu được ký hiệu trong hình 1
Bảng 1 Mô tả tín hiệu
I_a Dòng điện trên tải của pha a
I_b Dòng điện trên tải của pha b
I_c Dòng điện trên tải của pha c
I_afa Dòng điện trên bộ lọc của pha a
I_afb Dòng điện trên bộ lọc của pha b
I_afc Dòng điện trên bộ lọc của pha c
Trang 3I_a I_b I_c
3-Phase Active Filter
Nonlinear Load
Active Filter Source
I_afa I_afb I_afc
I_a I_b I_c
Hình 1 Mô hình bộ lọc tích cực đơn giản
2.1 Mô hình khối nguồn
Hệ thống nguồn được mô tả bởi các
công thức toán học như (1) đới với nguồn
áp và (2) đối với nguồn dòng [1]
1
) sin(
2
)
n
n n kn
) , , (a b c
k (1)
1
) sin(
2 )
(
n
n n kn
) , , (a b c
k (2)
Trong đó n là bậc hài
Hai phương trình trên được viết lại
dạng biên độ và pha như (3) và (4), bao
gồm hài cơ bản (n=1) và hài bậc n [1]
.
kn n
kn
) , , (a b c
.
kn n
k kn
) , , (a b c
Biểu diễn ma trận cho mỗi bậc hài của
3 pha a, b, c, áp thứ tự không, thứ tự thuận
và thứ tự nghịc [2]
0
2
2
1
1 3
1
(5)
1 120 j
Ma trận biểu diễn điện áp thứ tự nghịch được biểu diễn như công thức (6)
0 2
2
1 1
(6)
Triển khai ma trận điện áp trên ta được chi tiết các phương trình như (7)
2Vnsin(n t n)
2
3
2
3
(7)
2
3
2
3
Tương tự như vậy, ta được dòng điện như (8)
Trang 40 0
( ) 2 sin( ) 2 sin( )
2 sin( )
2
3 2
3
2
3 2
3
I t
I t
I t
(8)
Với tải phi tuyến trong hệ thống năng
lượng điện, hệ thống nguồn sẽ tồn tại sóng
hài và giảm chất lượng điện, gây nguy hại
cho các thiết bị điện và điện tử có trong hệ
thống
2.2 Mô hình tải
Một trong những mô hình phổ biến
của tải phi tuyến là tải chỉnh lưu bán dẫn
như hình 2
L
R
L
L
Phase A
Phase B
Phase C
Hình 2 Tải phi tuyến
Tải không lý tưởng: Tải không thuần
trở gây ra hiện tượng tiêu thụ công suất
phản kháng phi tuyến; hoặc tải biến đổi về
thời gian hoặc pha nên có chứa nhiều thành
phần dòng điện họa tần; hoặc tải độ lớn
khác nhau ở mỗi pha sẽ tạo ra dòng điện
thứ tự nghịch
Các vấn đề của tải không lý tưởng là
bất kỳ tải ba pha nào tiêu thụ năng lượng
khác với một tải điện ba pha đối xứng với
hệ số công suất là 1 (không có độ trễ pha
giữa điện áp và dòng điện) và tần số cơ bản
là không lý tưởng
Dòng tải không lý tưởng có ít nhất một
trong các thành phần sau:
Dòng phản kháng Tải có chứa các
thành phần điện cảm hoặc điện dung tiêu
thụ thành phần phản kháng
Dòng không đối xứng Tiêu thụ bởi ba dòng tải không bằng nhau trong cả ba pha Sóng hài Được tạo ra bởi các tải không tuyến tính, ví dụ: Một bộ chỉnh lưu diode, với kết quả là dòng điện không hoàn toàn sinusoidal
2.3 Mô hình mạch lọc tích cực
Bộ điều khiển tổng quát trong đó thể hiện các biến tham chiếu được tính toán
trên hệ quy chiếu d-q như hình 3[1]
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển
mạch lọc tích cực
Các tín hiệu i a , i b , i c là các dòng điện
tải ứng với 3 pha, v a , v b , v c áp tải 3 pha
tương ứng Chuyển đổi sang hệ tọa độ αβ
như công thức (9) và (10):
c b a
v v v v
v
v
.
2
3 2 3 0
2
1 2 1 1
2
1 2
1 2 1
3 2
0
Dòng điện ứng trên hệ trục αβ :
c b a
i i i i
i
i
.
2
3 2 3 0
2
1 2 1 1
2
1 2
1 2 1
3 2
0
Theo đó, công thức công suất được tính bỡi công thức (11):
i i i
v v
v v v
q p
0 0
0 0
(11) Công thức (12) là dòng điện càn phải
có được trên bộ lọc [2]:
Trang 51
.
c
(12)
Chuyển lại hệ tọa độ thực theo hệ
phương trình (13) [2]:
*
* 0
*
*
*
2 / 3
2 / 3 0
2 / 1
2 / 1 1
2 1
2 1
2 1 3
2
c c cc
cb
ca
i i i
i
i
i
(13)
Để sine hóa dòng điện nguồn, yêu cầu
các dòng điện i ca * , i ca * , i ca * và dòng hồi tiếp
phải được xử lý bỡi khâu PI của bộ lọc tích
cực Điện áp điều khiển được yêu cầu so
sánh với sóng tam giác tần số cao để tạo
xung điều khiển các khóa bán dẫn trong bộ
nghịch lưu
3 Hệ thống điều khiển của SAPF
Hình 4 mô tả mạch điều khiển cho một
pha, trong đó HPF, LPF và bộ điều khiển
PI_Modify được mô tả chi tiết bỡi (14),
(15) và (16)
Khâu giữ bậc 2 lọc thông cao
2
( )
2
HPF
ks
Trong đó:
Damping ratio
Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p))
Ia
V I_fa
V I_a
V hold2
V h
V af_a
V ka
V ma
V carr
V
K K
K
Vhold1
PI modify
To the converter s pulse controll voltage for phase a i_afa
Hình 4 Mạch nguyên lý điều khiển của
pha a
Khâu giữ bậc 2 lọc thông thấp (15):
2
( )
2
c LPF
c c
k
Trong đó:
Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p))
Modified PI (Proportional-integral)
controller:
_
1
PI Modify
p
(16)
Trong công thức (16):
Time constant of the controller
T, in second
Frequency of the pole f p , in Hz
Mô tả tín hiệu trong sơ đồ khối điều khiển hình 4:
Tín
I_a Dòng điện trên
tải pha a
k Khâu tỉ lệ Vout = k * Vin
V_h Dạng tín hiệu
sóng hài V_ma Tín hiệu để tạo
xung điều khiển
cho pha a
V_ka Xung điều khiển
pha a I_afa Dòng điện lọc
của pha a V_carr Sóng mang tần
số cao
Trang 6Tương tự cho pha b và pha c
4 Kết quả mô phỏng
Tín hiệu dòng điện tải qua 2 lần khâu giữ
bậc 2 thông cao cao và thông thấp, hình 5
Hình 5 Dạng sóng của I_La và V_hold2
Hình 6 Sóng hài V_h
V_h là dòng điện sóng hài sau khi tín
hiệu I_La đi qua hai lần khâu giữ bậc hai
mạch lọc thông cao và lọc thông thấp, mô
tả trong phương trình (17)
i_La – v_hold2 = V_h (17)
Hình 7 Tín hiệu sine của nguồn điện sau
khi có sử dụng bộ lọc tích cực
5 Kết luận
Kết quả dạng sóng sine đã được cải thiện độ méo hài, hình 8, cùng với bảng kết quả TDH
Hình 8 Dạng sóng dòng điện nguồn
sau lọc Bảng 2 Kết quả giảm méo hài THD
Fundamental Frequency 6.0000000e+001 Hz I(i_sa) 5.4928609e-003
I(i_sb) 5.3634647e-003 I(i_sc) 5.3283370e-003 Với mô hình mô phỏng đơn giản đã trình bày, khâu điều khiển PI_modify trong
bộ lọc tích cực đã làm tốt nhiệm vụ triệt sóng hài do tải không lý tưởng gây ra, kết quả làm giảm THD như đã trình bày trong Bảng 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Le Minh Thien Huynh, Thanh Vu Tran, Van Cuu Ho, “Optimization Problem of Compensated Current in Electrical Power Systems Using General Three-Phase Active Power Filter”, AETA, Dec 2015
2 Tan Luong Van, Le Minh Thien Huynh, Thanh Trang Tran and Duc Chi Nguyen,
“Improved Control Strategy of Three-Phase
Four-Wire Inverters using Sliding Mode Input-Ouput Feedback Linearization under Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”,
AETA, Dec 2015
3 N.V.Nho, M.J Youn, “Carrier PWM
algorithm with optimized switching loss for
inverters”, IEEE Letters, UK, vol.41,
Trang 7pp.43-44, vo.1, ISSN 0013-5194, Jan 2005
4 Nguyễn Văn Nhờ, Myung- Bok Kim, Gun-
Woo Moon, Myung- Joong Youn, “A Novel
Carrier Based PWM Method in Three-phase
Four-Wire Inverters”, IEEE 2004
5 N.V Nho, N.X Bac and H-H Lee, "An
Optimized Discontinuous PWM Method to
Minimize Switching Loss for Multilevel
Inverters”, IEEE Transactions on Industrial
Electronics, vol.58, no 9, Sep 2011
6 Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea
Tilli, “Four - Wire Shunt Active Filters:
Optimized Design Methodology”, IEEE 2003
7 H Akagi, Y Kanazawa, A Nabae,
“Generalized Theory of the Instantaneous
Reactive Power in Three-Phase”, IPEC'83 - Int Power Electronics Conf., Tokyo, Japan,
1983, pp 1375-1386.
Ngày nhận bài: 02/6/2017 Biên tập xong: 15/7/2017 Duyệt đăng: 20/7/2017