Các phụ tải công nghiệp bao gồm động cơ được điều khiển bằng các bộ biến tần đóng cắt tần số cao, lò điện cao tần, các động cơ bão hòa; các phụ tải thương mại trong các tòa nhà cao tầng
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Duy Cương
Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TSKH Horst Puta
Có thể tìm hiểu luận án tại:
Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - ĐHTN
Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên
Thư viện Quốc gia
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống truyền tải điện có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho các phụ tải tiêu thụ điện năng, tùy theo tính chất của hộ tiêu thụ điện nên đặc tính của tải cũng rất khác nhau Các phụ tải công nghiệp bao gồm động
cơ được điều khiển bằng các bộ biến tần đóng cắt tần số cao, lò điện cao tần, các động cơ bão hòa; các phụ tải thương mại trong các tòa nhà cao tầng là các máy biến áp bão hòa, các đèn LED, máy tính, các hệ thống điện toán lưu trữ dữ liệu,… Tất cả những loại thiết bị này được gọi chung là thiết bị phi tuyến vì chúng là nguyên nhân gây nên sóng hài trong lưới điện và có thể sinh ra các vấn đề về chất lượng hệ thống điện
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của sóng hài người ta dùng chỉ số THD, theo tiêu chuẩn IEEE Std 519, THD của dòng điện trong hệ thống nên nhỏ hơn 5%
Như vậy, việc nghiên cứu điều khiển các bộ lọc tích cực để giảm sóng hài do các tải phi tuyến tạo ra là vấn đề cấp thiết, nhằm nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện Chính vì vậy, nghiên cứu sinh chọn
đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực” góp
phần giảm sóng hài và nâng cao chất lượng điện năng
2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Mục tiểu tổng quát: Phân tích sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến
và nghiên cứu thiết bộ điều khiển cho bộ lọc tích tích cực hoạt động nhằm giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện năng
Để thực hiện được mục tiêu này, đề tài đặt ra các nhiệm vụ chính sau:
- Phân tích sóng hài gây ra bởi tải phi tuyến với hệ thống truyền tải
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
- Đối tượng nghiên cứu
Mô hình bộ lọc tích cực song song để phát dòng điện bù lên lưới điện có phụ tải phi tuyến làm việc, nhằm đưa dòng điện lưới về dạng hình sinh với độ méo THD[] cho phép
- Phạm vi nghiên cứu
Trang 4+ Nghiên cứu cơ sở toán học cho bộ lọc tích cực, tính toán tối ưu các thông số cho bộ lọc tích cực;
+ Lựa chọn và xây dựng chi tiết cấu trúc điều khiển cho cho bộ lọc tích cực Thiết kế bộ điều khiển nâng cao cho bộ lọc tích cực bằng các phương pháp điều khiển hiện đại
4 Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết:
Phân tích, tổng hợp các kiến thức cơ sở toán học của hệ thống truyền tải 3 pha 4 dây với tải phi tuyến Đánh giá các nghiên cứu đã được công bố trên các bài báo, tạp chí, các tài liệu tham khảo về bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực Nghiên cứu bộ điều khiển hiện đại và ứng dụng bộ điều khiển kinh điển và hiện đại cho bộ lọc tích cực
- Nghiên cứu về thực nghiệm bằng mô phỏng:
+ Sử dụng công cụ Matlab-Simulink để mô phỏng kiểm chứng các nhận định lý thuyết và các thuật toán mà luận án đề xuất;
+ Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm sát với điều kiện của thực tế, tức là tiến hành thí nghiệm để đánh giá chất lượng bộ điều khiển (khi điều kiện cho phép)
5 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Luận án đã có các đóng góp cụ thể như sau:
+ Sử dụng thành công lý thuyết công suất tức thời p,q áp dụng vào
tính toán dòng điện đặt theo dòng điện và điện áp đo, chuyển đổi sang hệ
quy chiếu hai pha (α-β) và ba pha (a,b,c), để tạo ra các xung kích cho
IGBT;
+ Thiết kế được bộ điều khiển băng trễ (HCC) thích nghi dựa vào
cơ chế chỉnh định mờ trên cơ sở mô hình toán xây dựng theo lý thuyết
công suất tức thời p,q;
+ Ứng dụng thành công giải thuật di truyền (GA - Genetic
Algorithm) tối ưu hóa các tham số cho bộ điều lọc tích cực, trong đó có
cả bộ điều khiển PI
-Ý nghĩa khoa học của luận án:
+ Luận án sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến và giải thuật tối ưu để nâng cao hiệu quả của các bộ điều khiển kinh điển và hiện đại (HCC, PID) ứng dụng trong bộ điều khiển bộ lọc công suất tích cực;
+ Đóng góp một phần nhỏ trong việc nghiên cứu bộ điều khiển cho
bộ lọc tích cực giúp giảm sóng hài và nâng cao chất lượng điện năng
Trang 5- Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
+ Luận án góp phần nâng cao chất lượng lọc sóng hài của các bộ lọc tích cực, giảm tác hại sóng hài trên lưới điện, tăng tuổi thọ cho các thiết
bị, tăng độ chính xác cho các thiết bị đo lường,…;
- Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điều khiển và tự động hóa, học viên cao học và các nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến; các vấn đề trong quá trình thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực
6 Bố cục của luận án
Nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương, phần mở đầu
và phần kết luận được bố cục như sau:
Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương này trình bày tổng quan về sóng hài và các tác động sóng hài gây ra trên lưới điện; Bộ lọc công suất tích cực cùng các vấn đề trong quá trình thiết kế bộ lọc công suất tích cực Thông kê, phân tích các giải pháp đã dược đề xuất trong nước và quốc tế về thiết kế bộ lọc công suất tích cực
Chương 2 Cơ sở toán học của bộ lọc công suất tích cực
Chương 2 đưa ra cấu trúc của bộ lọc công suất tích cực dạng song song và hoạt động của bộ lọc Từ đó, tính toán các tham số của bộ lọc,
ứng dụng lý thuyết công suất tức thời p,q để tính toán dòng bù đặt đầu
vào cho bộ điều khiển bộ lọc tích cực
Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc công suất tích cực
Trên cơ sở toán học được nêu ở chương 2, chương này xây dựng các bộ điều khiển cho bộ lọc công suất tích cực Bao gồm:
- Ứng dụng bộ điều khiển Fuzzy chỉnh định tham số bộ điều khiển dải trễ (HCC-Hysteresis current controller) giúp nâng cao chất lượng
bộ điều khiển và giảm tần số đóng cắt IGBT;
- Tối ưu hóa các tham số cho bộ lọc tích cự sử dụng bộ điều khiển
PI bằng giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm);
Chương 4 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink - Plecs
Trên cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng hoạt động bộ điều khiển ứng dụng cho bộ lọc công suất tích cực được đề xuất, chứng minh ở chương 2, chương 3 Trong chương này, luận án xây dựng mô hình bộ lọc công suất tích cực với tải phi tuyến là bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều 3 pha và kiểm chứng lại tính đúng đắn của lý thuyết đã đề xuất bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink
Trang 6CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sóng hài trong lưới điện và giải pháp lọc sóng hài
1.1.1 Sóng hài trong lưới điện
Một tham số quan trọng để đánh giá tác động của sóng hài là hệ số méo dạng (Total Harmonic Distortion):
2
1
1
n n
X THD
b Nguyên nhân phát sinh sóng hài
Nguyên nhân phát sinh sóng hài do các tải phi tuyến như các tải công nghiệp: Các thiết bị điện tử công suất, lò hồ quang, máy hàn, bộ khởi động điện tử, đóng mạch máy biến áp công suất lớn… Các tải dân dụng: Đèn phóng điện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính, lò vi sóng…
c Tác hại sóng hài
Sóng hài có thể làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt hoặc gây tiếng ồn và sự dao động của momen xoắn trên rotor dẫn tới sự cộng hưởng cơ khí và gây rung Tụ điện quá nhiệt và trong phần lớn các trường hợp có thể dẫn tới phá huỷ chất điện môi Các thiết bị hiển thị sử dụng điện và đèn chiếu sáng có thể bị chập chờn, các thiết bị bảo vệ có thể ngắt điện, máy tính lỗi (data network) và thiết bị đo cho kết quả sai
1.2 Bộ lọc công suất tích cực và các vấn đề trong thiết kế bộ lọc công suất tích cực
1.2.1 Tổng quan về bộ lọc công suất tích cực
Bộ lọc công suất tích cực (APF - Active Power filter) là bộ lọc sử dụng các phân tử điện tử công suất để lọc các sóng hài bậc cao trên hệ
Trang 7thống điện bằng cách tạo nên các sóng hài bằng và ngược pha với sóng hài phát sinh trong mạch Bộ lọc tích cực nhằm giảm sóng hài dòng điện
và bù công suất phản kháng
Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực
Trên hình 1.10 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
1.2.2 Các vấn đề trong thiết kế bộ lọc tích cực
a Cấu trúc bộ lọc tích cực
b Tính toán xác định dòng bù sóng hài
c Tính toán thông số bộ nghịch lưu
d Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển
Bộ điều khiển đóng vai trò trung tâm trong bộ lọc tích cực, thực hiện điều khiển mạch công suất (IGBT, MOSFET ) để phát dòng bù sóng hài theo đúng tính toán dòng bù sóng hài cần thiết Bộ điều khiển này có thể được thiết kế trên cơ sở các bộ điều khiển PID, Fuzzy, Noron… Chất lượng của bộ lọc tích cực phụ thuộc chính vào việc thiết kế bộ điều khiển này
Đề tài tập trung xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực, thực hiện
mô phỏng, kiểm chứng thực tế và so sánh với các kết quả của các công trình đã công bố
1.3 Các nghiên cứu trong nước, ngoài nước và định hướng nghiên cứu của đề tài
1.3.1 Các nghiên cứu trong nước
Hiện tại ở Việt Nam thường sử dụng các bộ lọc thụ động cho để lọc sóng hài Việc nghiên cứu bộ lọc tích cực để lọc sóng hài và bù công
Trang 8suất phản kháng còn khá mới mẻ chưa có nhiều công trình được công
bố
1.3.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài
Ở nước ngoài, đã có rất nhiều tác giả quan tâm đến vấn đề lọc sóng hài và bù công suất phản kháng để tăng chất lượng điện năng Trong đó đưa ra phương pháp tính toán dòng sóng hài và cấu trúc điều khiển cho
bộ APF với các bộ điều khiển khác nhau Trong phần này tác giả tập trung phân tích các bài báo đề cập xây dựng bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực
1.4 Định hướng nghiên cứu của luận án
Trên cơ sở phân tích các kết quả đã được công bố trên các công trình, bài báo trong nước và quốc tế luận án sẽ từng bước giải quết các vấn đề sau:
- Lựa chọn phương pháp lọc song hài và xây dựng cấu trúc cho bộ lọc tích cực song song;
- Ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại nâng cao hiệu quả cho bộ lọc công suất tích cực
- Sử dụng giải thuật tối ưu (GA) để chỉnh đinh tham số cho bộ lọc tích
cực và bộ điều khiển kinh điển,
1.5 Kết luận chương 1
Trong chương 1, đã trình bầy tổng quan về sóng hài trên lưới điện, nguyên nhân và tác hại của sóng hài cùng các tiêu chuẩn đánh giá ảnh hưởng sóng hài trên lưới điện Trên cơ sở các giải pháp lọc sóng hài, luận án tập trung giải pháp lọc tích cực và đưa ra các định hướng chính cho thiết kế bộ lọc tích cực
Phân tích các công trình công bố trong nước và quốc tế về thiết kế bộ điều khiển cho bộ lọc tích cực, trên cơ sở đó đưa ra hướng nghiên cứu của luận án
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA BỘ LỌC CÔNG SUẤT
TÍCH CỰC 2.1 Cấu trúc bộ lọc công suất tích cực kiểu song song
Trong chương 1 đã dưa ra ba cấu trúc cơ bản của bộ lọc công suất tích cực: Bộ lọc song song (Shunt APF), Bộ lọc nối tiếp (Series APF),
bộ lọc kết hợp (Hybrid APF) Sau khi đánh giá so sánh, định hướng trong luận án sẽ sử dụng cấu trúc bộ lọc song song (Shunt APF)
SAPF (Shunt Active Power Filter) là một bộ nghịch lưu nguồn áp
ba pha được sử dụng để ổn định hiệu suất của hệ thống công suất bằng
Trang 9việc tạo ra các dòng điện tham chiếu cho mạch cầu IGBT nhằm làm giảm hoặc triệt tiêu các sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng
Hình 2-1: Cấu trúc cơ bản của bộ lọc công suất tích cực kiểu song
áp SAPF sẽ làm tăng khả năng truyền tải công suất định mức (công suất tác dụng) của các trạm biến thế, do vậy SAPF có thể giảm thời gian hoạt động trong trường hợp quá tải [23]
Theo hình 2.1 ta có thể phân tích thành phần dòng điện tải iL thành tổng của dòng cơ bản và dòng song điều hòa bậc cao:
Trong đó: + i F là dòng điện tần số cơ bản
+ iH là tổng các dòng song điều hòa bậc cao
Do vậy để dòng điện nguồn sin: i S i F thì:
- Trên cơ sở tín hiệu dòng (iL), điện áp (V) đo được từ tải trên hệ thống để tính toán dòng bù tổng song hài ( *
i i )
Trang 10- Bộ điều khiển dòng thực hiện điều khiển vòng kín có phản hồi để thực hiện điều khiển đóng/cắt IGBT phát ra dòng iC đưa lên lưới sao cho
Trên Hình 2.2 thể hiện sơ đồ khối của khâu tính dòng điện tham
chiếu dựa theo lý thuyết p-q Hình 2.2 chỉ ra ma trận chuyển đổi chi tiết
của khâu tính dòng điện tham chiếu, phần này sẽ được giải thích chi tiết bằng các phương trình toán học và các phép biến đổi
Hình 2-2: Sơ đồ cấu trúc của khâu dòng điện tham chiếu dựa trên lý
thuyết p-q
Trong đópvà q là công suất thực và công suất phản kháng tiêu thụ bởi các thành phần sóng hài Vòng chỉnh định điện áp DC được dùng để thích nghi điện áp trên tụ điện của mạch nghịch lưu theo một giá trị điện
áp được xác định trước Sai lệch của dòng điện mong muốn trên tụ điện
và giá trị biến thiên của nó được xét đến trong phần tính công suất của sóng hài
2.2.1 Ứng dụng công suất tức thời trong tính toán dòng bù sóng hài
Lý thuyết công suất tức thời được ứng dụng vào quá trình tính toán
và thiết kế bộ lọc công suất tích cực một cách hiệu quả trên cơ sở những
ưu điểm sau:
- Lý thuyết công suất tức thời áp dụng cho hệ 3 pha
Trang 11- Lý thuyết cho phép áp dụng với hệ thống 3 pha cân bằng và 3 pha
không cân bằng, hệ thống có hoặc không có sóng hài ở cả điện áp và dòng điện
- Tính toán tức thời nên cho phép tốc độ đáp ứng nhanh với hệ thống
- Tính toán đơn giản trên cơ sở các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ
Như các biểu thức phân tích trên và biểu diễn trên hình 2.6 thì p là thành phần duy nhất tải cần nhận, còn các thành phần khác sẽ được trao đổi thông qua bộ lọc SAPF p0là thành phần được cung cấp từ nguồn đến tải, nó sẽ trao đổi với bộ SAPF để truyền đến tải mà không phụ thuộc vào hoạt động của bộ SAPF
Phân tích trên cho thấy bộ SAPF chỉ cần bù các thành phần p và p0
và các thành phần này được trao đổi tức thời giữa bộ SAPF và tải Thành phần công suất phản kháng q được bù thông qua bộ SAPF mà không phụ thuộc vào dung lượng tụ C Như vậy công suất bộ lọc tích cực cần bù:
v v
v v q
v v i
để duy trì điện áp trên tụ không đổi Bởi vậy, công thức tính dòng bù
cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc sóng điều hòa và bù
Trang 12c cc
i
i i
i i
Hình 2-4: Tổng quan về ma trận chuyển đổi cho quá trình tìm dòng điện
tham chiếu theo lý thuyết p-q sử dụng biến đổi Clarke
2.3 Kết luận chương 2
Trên cơ sở đa dạng của cấu trúc bộ lọc công suất tích cực, chương
2 đã lựa chọn cấu trúc của bộ lọc công suất tích cực dạng song song và phân tích hoạt động của bộ lọc tích cực kiểu này Từ đó, tính toán các
tham số của bộ lọc, ứng dụng lý thuyết công suất tức thời p,q để tính
toán dòng bù đặt đầu vào, có thể sử dụng cho mạch vòng điều khiển ngoài bộ điều khiển bộ lọc tích cực như (2.34) và (2.35) Kết quả nghiên cứu của chương 2 sẽ là cơ sở toán học cho các phương pháp điều khiển
bộ lọc tích cực sẽ được trình bày trong chương 3
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ LỌC
CÔNG SUẤT TÍCH CỰC 3.1 Cấu trúc điều khiển của bộ lọc công suất tích cực
Cấu trúc điều khiển của bộ lọc công suất tích cực ba pha kiểu song song (SAPF) được đưa ra theo Hình 3.1
Trang 13Hình 3-1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống lọc công suất tích cực ba
pha kiểu song song
Đầu tiên dòng điện cần bù được tính toán dựa theo điện áp và dòng điện tải thông qua khối tính toán dòng điện tham chiếu (Reference compensation current calculator), tiếp đến bộ điều khiển băng trễ (HCC) được áp dụng cho mạch vòng điều khiển dòng điện (Current controller), tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là khối tạo xung kích (Switching logic pulses) để kích dẫn các cặp van IGBTs Biên độ và dạng tín hiệu đầu ra của bộ nghịch lưu ba pha sử dụng IGBTs được tự động chỉnh định bởi
sự thay đổi tần số đóng cắt IGBTs sao cho dòng điện bù mong muốn bám theo dòng bù tham chiếu
3.2 Bộ điều khiển băng trễ (Hysteresis current control -HCC) thiết
kế dựa trên mô hình toán xây dựng theo lý thuyết công suất tức
thời p-q
Hình 3-2: Cấu trúc bộ lọc công suất tích cực ba pha sử dụng bộ điều
khiển băng trễ (HCC) cho dòng điện