Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực

Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

1.1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Với sự phát triển không ngừng của đất nước, việc cung cấp điện năng không chỉ cần đảm bảo về số lượng mà còn về chất lượng Trong quá trình vận hành và truyền tải điện, sự hiện diện của tải phi tuyến trong hệ thống điện dẫn đến việc xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao, gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như tăng tổn hao, giảm hệ số công suất và ảnh hưởng đến thiết bị tiêu thụ điện Do đó, các thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn giới hạn nhất định Mặc dù hiện nay ở Việt Nam chưa có tiêu chuẩn cụ thể cho sóng điều hòa bậc cao, nhưng nhiều tiêu chuẩn quốc tế như IEEE STĐ 519 và IEC 1000-3-4 đã được áp dụng Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này là cần thiết để đảm bảo chất lượng điện năng Một trong những giải pháp hiệu quả để hạn chế sóng điều hòa bậc cao là sử dụng bộ lọc tích cực, dựa trên thiết bị điện tử công suất và điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau.

“Nâng cao chất lượng điện năng dùng phương pháp lọc sóng hài tích cực”

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

 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;

- Thiết kế mạch lọc tích cực 3 pha 3 dây dùng phương pháp P_Q;

- Mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây dùng phương pháp id_iq;

Ứng dụng logic mờ trong việc điều khiển bộ lọc tích cực đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sóng hài của dòng điện Mạch điều khiển sử dụng logic mờ giúp tối ưu hóa hiệu suất của mạch lọc, mang lại khả năng xử lý tín hiệu tốt hơn và giảm thiểu các biến dạng sóng hài Việc áp dụng công nghệ này không chỉ nâng cao chất lượng điện năng mà còn cải thiện độ ổn định của hệ thống điện.

 Các nghiên cứu ngoài nước

- Instantanneous Active and Reactive Power and Current Strategies for Current Harmonics Cancellation in 3-ph 4-Wire SHAF with Both PI and Fuzzy Controllers;

- Fuzzy Controller Based 3 Phase 4-Wire Shunt Activer Filter for Mitigation of Curent Harmonics with Combined p-q and i d - i q Control Strategies;

- Harmonic and Reactive Power Compensation Based on the Generalized Instantaneous Reactive Power Theory for Three-Phase Four-Wire Systems;

- Comparative Study On Different Control Strategies Using Shunt Active Power Filter For Current Harmonics Mitigation;

- New Control Strategy To Improve Power Quality Using A Hybrid Power Filter.

Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, việc lọc nhiễu trong hệ thống điện đang được chú trọng tại các nhà máy, nhằm giảm sóng hài của dòng điện và điện áp Điều này không chỉ nâng cao chất lượng điện năng cung cấp mà còn cải thiện hệ số công suất, giúp giảm chi phí tiền điện Bên cạnh đó, việc lọc nhiễu còn hỗ trợ các thiết bị điện và điện tử nhạy cảm hoạt động chính xác hơn, từ đó kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

Nhiều tác giả đã nghiên cứu về lĩnh vực lọc hài với các cấu hình khác nhau như mạch lọc tích cực và thụ động Luận văn này giới thiệu thiết kế mạch lọc tích cực kết hợp với bộ lọc thụ động nhằm giảm biên độ của các bậc hài tần số cao (thường là bậc 5, 7, 9) trước khi xử lý tiếp bởi bộ lọc tích cực Sự kết hợp này không chỉ nâng cao hiệu quả của mạch lọc mà còn cải thiện chất lượng và tuổi thọ của mạch lọc tích cực.

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này đề xuất phương pháp giảm sóng hài bằng cách sử dụng mạch lọc tích cực song song kết hợp với bộ lọc thụ động, dựa trên lý thuyết tách hài P-Q Mô phỏng kiểm nghiệm được thực hiện qua Matlab Simulink, từ đó cho phép thiết kế mô hình thực tế áp dụng cho lưới điện phân phối.

1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu

Thiết kế mạch lọc tích cực song song kết hợp với lọc thụ động nhằm ứng dụng trong hệ thống điện phân phối, đặc biệt cho các loại tải phi tuyến gây ra sóng hài dòng điện Mục tiêu chính của thiết kế này là triệt tiêu sóng hài do tải phi tuyến, đảm bảo tín hiệu dòng điện nguồn duy trì dạng sin chuẩn, giúp ngăn chặn méo dạng dòng điện nguồn.

 Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu Nguồn điện, tải, mạch lọc tích cực, dùng phương pháp tách hài P-Q, mạch lọc thụ động để giảm hài bậc 5, bậc 7

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

 Nhiệm vụ của đề tài

- Phân tích ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện

- Phân tích các phương pháp lọc sóng hài

- Thiết kế mạch lọc sóng hài tích cực có kết hợp lọc thụ động cho lưới phân phối bằng phần mềm Matlab & Simulink

- Đánh giá kết quả mô phỏng

Đề tài nghiên cứu này, mặc dù có thời gian hạn chế, đã tập trung vào lý thuyết và cung cấp một mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây cho các tải phi tuyến Ngoài ra, đề tài cũng giới thiệu mạch lọc thụ động nhằm giảm biên độ của các bậc hài cố định.

Để nghiên cứu đề tài chất lượng điện năng, cần tham khảo sách giáo khoa điện tử công suất và ý kiến từ thầy hướng dẫn Bên cạnh đó, việc xem xét các bài báo liên quan đến lý thuyết công suất tức thời, phương pháp điều khiển các bộ biến đổi công suất, và mạch lọc tích cực là rất quan trọng Sử dụng Matlab Simulink cũng sẽ hỗ trợ hiệu quả trong quá trình nghiên cứu này.

Để thiết kế mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây tách hài, cần tham khảo ý kiến của Thầy hướng dẫn về cấu hình điều khiển Sử dụng thuyết P-Q để điều khiển mạch nghịch lưu 3 pha, áp dụng phương pháp điều khiển bang-bang và thực hiện tính chọn thông số cho mạch lọc thụ động.

- 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.

Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

 Nhiệm vụ của đề tài

- Phân tích ảnh hưởng của sóng hài đến hệ thống điện

- Phân tích các phương pháp lọc sóng hài

- Thiết kế mạch lọc sóng hài tích cực có kết hợp lọc thụ động cho lưới phân phối bằng phần mềm Matlab & Simulink

- Đánh giá kết quả mô phỏng

Đề tài này tập trung vào nghiên cứu lý thuyết về mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây cho các loại tải phi tuyến, đồng thời cũng trình bày mạch lọc thụ động nhằm giảm biên độ của bậc hài cố định, mặc dù thời gian nghiên cứu có hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu đề tài chất lượng điện năng, cần tham khảo sách giáo khoa điện tử công suất và ý kiến từ thầy hướng dẫn Bên cạnh đó, việc xem xét các bài báo liên quan đến lý thuyết công suất tức thời, phương pháp điều khiển bộ biến đổi công suất và mạch lọc tích cực, cũng như sử dụng Matlab Simulink là rất quan trọng.

Để thiết kế mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây và tách hài theo thuyết P-Q, cần tham khảo ý kiến của Thầy hướng dẫn Đồng thời, sử dụng phương pháp điều khiển bang-bang cho mạch nghịch lưu 3 pha và thực hiện tính chọn thông số cho mạch lọc thụ động.

- 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

Khái niệm về sóng hài, ảnh hưởng của sóng hài

2.1.1 Khái niệm về sóng hài

Các dạng sóng điện áp sin được sản xuất tại các nhà máy điện và trạm điện lớn rất chất lượng, nhưng khi di chuyển đến gần phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến, sóng điện áp bắt đầu bị méo Điều này dẫn đến việc dạng sóng không còn giữ được hình dạng sin như ban đầu.

Hình 2.1: A- Dạng sóng sin, B- Dạng sóng hài

Sóng hài có thể coi như là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản

Hình 2.2: Thành phần cơ bản và thành phần hài

Sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T - seconds và tần số cơ bản Hz f T1

 hoặc ω = 2πf rad/s, có thể biểu diễn một sóng hài f(t) với biểu thức sau:

C 0 là giá trị DC của hàm sóng hài f(t)

C n là giá trị đỉnh của thành phần hài bậc n và θ n là giá trị góc pha

- Phổ của sóng hài được thể hiện ở Hình 2.3:

Hình 2.3: Phổ của sóng hài

THD: Tham số quan trọng nhất dùng để đánh giá sóng hài là hệ số méo dạng (THD)

Với C1: Biên độ thành phần cơ bản

Cn: là giá trị đỉnh của thành phần hài bậc n

2.1.2 Ảnh hưởng của sóng hài Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau:

Khi sóng hài làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hoặc dòng điện, nó sẽ gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng.

- Làm tăng phát nóng của các thiết bị điện, dây dẫn điện

- Ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu, khả năng mang tải của dây dẫn điện

- Ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ( tác động sai ): cầu chì, CB, relay,

- Đồng thời các thiết bị đo đếm như kWh ghi nhận sai dữ liệu

- Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng, ảnh hưởng đến mô men trên trục của động cơ

- Làm các mạch PLL trong điều khiển hoạt động sai Ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông

Hình 2.4: Giá trị đỉnh và RMS theo các thành phần sóng hài

Nguyên nhân gây ra sóng hài

Hiện tượng bảo hòa mạch từ trong máy biến áp lực có khả năng tạo ra sóng hài, như được minh họa trong hình 2.5, thể hiện nguyên lý hình thành sóng hài từ hiện tượng này.

Để duy trì điện áp hình sin, cần tạo ra từ thông hình sin từ dòng điện từ hóa Khi biên độ điện áp và từ thông đạt đến mức lớn, hiện tượng không tuyến tính trong đường cong B-H sẽ xảy ra, dẫn đến dòng điện từ bị méo và chứa sóng hài.

Hình 2.5: Hiện tượng bảo hoà mạch từ máy biến áp

- Dạng sóng và phổ của của dòng pha A khi máy biến áp hoạt động với điều kiện qúa điện áp 110%

Hình 2.6: Dòng pha A và phổ cuae nó khi máy biến áp hoạt động ở 110% điện áp định mức

Khi hoạt động, động cơ xoay chiều tạo ra dòng điện hài tương tự như máy biến áp Nếu không sử dụng máy biến áp đấu tam giác, động cơ đồng bộ 1 pha có thể sinh ra dòng điện hài bậc 3 khoảng 10%, trong khi động cơ đồng bộ 3 pha có thể tạo ra dòng điện hài bậc 3 lên đến 30%.

Ví dụ dạng sóng dòng điện bị méo dạng của máy lạnh được cho theo Hình 2.7, THD = 6.3%

Hình 2.7: Dòng điện của máy lạnh

Ví dụ dạng sóng dòng điện của máy điều hòa không khí được cho theo Hình 2.8, THD 5%

Hình 2.8: Dòng điện của máy điều hoà không khí 2.2.2 Thiết bị điện tử công suất

 Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha

Các thiết bị điện tử thường nhận nguồn DC thông qua bộ chỉnh lưu cầu một pha Diode, với điện áp DC đầu ra được làm phẳng nhờ tụ điện C Công suất của các thiết bị này thường nhỏ, dao động từ vài W đến vài kW Hệ số méo dạng THD của dòng điện thường vượt quá 100%.

I DC output feelding the remainder of the circuit

Hình 2.9: Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode

- Các thiết bị điện gia dụng và công nghiệp sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Diode thông dụng là:

+ Các thiết bị của tivi, Đầu ghi video

+ Máy vi tính, máy in

+ Bộ điều chỉnh tốc độ

 Bộ biến đổi công suất Six-pulse bridges

Bộ biến đổi công suất 3 pha Six-pulse bridges là một thành phần quan trọng trong hệ thống điện, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Một số ứng dụng nổi bật của chúng bao gồm việc chuyển đổi điện năng, điều khiển động cơ và cung cấp nguồn điện ổn định cho các thiết bị công nghiệp.

+ Các bộ điều khiển tốc độ động cơ DC - AC

+ Các bộ lưu điện UPS

+ Các bộ điều khiển SVC, STACOM, HVDC,

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, van bán dẫn có thể được phân loại thành các linh kiện có thể điều khiển như GTO, MOSFET, Thyristor, hoặc các linh kiện không điều khiển như diode.

Ví dụ bộ chỉnh lưu cầu diode 3 pha không điều khiển được có mô hình như Hình 2.10 dưới đây:

Hình 2.10: Mạch chỉnh lưu 3 pha không điều khiển t

Hình 2.11: Dạng sóng dòng điện chỉnh lưu 3 pha

Hình 2.11 biểu diễn dòng điện pha A của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, dễ dàng nhận thấy dòng điện có độ méo dạng rất lớn

2.2.3 Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao

Sóng điều hòa bậc cao có ảnh hưởng tiêu cực đến tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện, gây ra hiện tượng quá áp và méo điện áp lưới, từ đó làm giảm chất lượng điện năng Chúng làm tăng nhiệt trong các thiết bị, giảm cách điện, dẫn đến tổn hao điện năng và giảm tuổi thọ của thiết bị, thậm chí có thể gây hỏng hóc Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao là làm tăng giá trị hiệu dụng và giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp.

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu dòng điện hoặc điện áp tăng lên do tác động của sóng điều hòa bậc cao, sẽ phát sinh một số vấn đề cần được chú ý.

- Làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện

- Gây ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu, làm giảm khả năng mang tải của dây dẫn điện

Máy biến áp chịu ảnh hưởng của các sóng điều hòa bậc cao, dẫn đến tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt Những yếu tố này làm tăng nhiệt độ của máy biến áp, từ đó gia tăng tổn thất điện năng.

Tổn hao năng lượng trên cuộn dây và lõi thép của động cơ điện có thể dẫn đến méo momen và giảm hiệu suất hoạt động Điều này không chỉ gây ra tiếng ồn mà còn làm phát sinh các sóng điều hòa bậc cao, có khả năng sinh ra momen xoắn trục và gây ra dao động cộng hưởng cơ khí, từ đó làm hư hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ.

Sóng điều hòa bậc cao có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ, dẫn đến hiện tượng nháy và tác động ngược từ rơle biến dạng Hiện tượng này có thể làm méo dạng điện áp và dòng điện, từ đó làm sai lệch thời điểm tác động của rơle.

- Với các thiết bị đo: ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch

- Với tụ điện: làm cho tụ bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi

- Các sóng điều hòa bậc cao còn làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn

Sóng điều hòa bậc cao có khả năng tạo ra sóng điện từ lan truyền trong không gian, gây ảnh hưởng đến các thiết bị viễn thông như máy thu và phát sóng.

Để giảm thiểu tác hại của sóng điều hòa bậc cao đối với thiết bị tiêu thụ điện và đảm bảo chất lượng điện năng, cần thiết phải quy định một tiêu chuẩn thống nhất về các thành phần sóng này trên lưới điện Tuy nhiên, hiện tại, Việt Nam chưa có tiêu chuẩn nào quy định việc hạn chế các thành phần sóng điều hòa bậc cao.

- Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn như IEEE STĐ 519, IEC 1000-4-3 về giới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới [1], được thể hiện ở Bảng 2.1

Bảng 2 1: Tiêu chuẩn IEEE STĐ 519 Điện áp tại điểm nối chung

Nhiễu điện áp từngloại sóng điều hòa

Nhiễu điện áp tổng cộng các loại sóng điều hòa THD (%)

Bảng 2 2: Tiêu chuẩn IEEE 519 IEC 1000-3-4 cho thiết bị trên 75A ở dòng điện ngõ vào mỗi pha

* Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở trên

* h : bậc của sóng điều hòa

Bảng 2 3: Theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-4

Dòng điều hoà có thể chấp nhận được

Một số mô hình mạch lọc

Sóng điều hòa bậc cao được xử lý qua các mạch lọc, thiết bị này tạo ra đặc tuyến tần số xác định Chức năng chính của mạch lọc là cho phép một số tần số đi qua trong khi loại bỏ các tần số không mong muốn.

Mạch lọc sóng hài có thể là [2][3]:

- Mạch lọc tích cực (ative filters);

- Mạch lọc thụ động (passive filters);

- Mạch lọc lai ghép (hybrid ative filters)

Mạch lọc thụ động sóng hài được cấu thành từ các phần tử thụ động như điện trở, cuộn kháng và tụ điện, nhằm giảm thiểu tác hại của sóng hài Chúng phù hợp cho hệ thống phân phối ba pha bốn dây và nên được lắp đặt gần các tải cần lọc, tốt nhất là tại điểm chia từ ba pha thành một pha trong lưới phân phối Việc sử dụng mạch lọc thụ động có thể giúp giảm sóng hài xuống chỉ còn 30%.

Lọc thụ động được chia thành hai loại chính: lọc song song và lọc nối tiếp Trong đó, lọc song song bao gồm hai dạng là cộng hưởng nối tiếp, hay còn gọi là kiểu bẫy, với trở kháng thấp tại tần số đã chọn Lọc song song thường được kết nối gần với nguồn phát sinh nhiễu, giúp loại bỏ các thành phần sóng hài từ nguồn cấp Đây là loại lọc phổ biến nhất hiện nay.

Lọc nối tiếp được chia thành hai loại, trong đó có lọc cộng hưởng song song, hay còn gọi là kiểu chặn với trở kháng cao tại tần số chọn lọc Tuy nhiên, loại lọc này không phổ biến do khả năng gây ra méo điện áp tải.

Một số cấu hình của mạch lọc thụ động:

Cấu hình mạch lọc thụ động nối tiếp là loại phổ biến nhất trong ứng dụng một pha, nhằm giảm thiểu hài bậc ba Ngoài ra, tần số điều chỉnh riêng cũng có thể được lọc thông qua cấu trúc cơ bản của mạch này.

Hình 2.13: Mạch lọc thụ động nối tiếp

- Cung cấp điện kháng cao để điều chỉnh tần số;

- Không tạo ra bất kì sự cộng hưởng nào trong hệ thống;

- Không đưa thêm các thành phần hài vào lưới;

- Cải thiện hệ số công suất dịch chuyển và hệ số công suất tổng

- Phải chịu toàn bộ dòng tải danh định;

- Chỉ có hiệu quả duy nhất đối với tần số sóng hài được chọn;

- Chỉ có thể cung cấp cho tải phi tuyến

2.3.1.2 Lọc thụ động song song

Lọc thụ động song song có khả năng lọc riêng từng tần số sóng hài, với các mức điều chỉnh như bậc 5, bậc 7 và bậc 11 Hình 2.14 minh họa sơ đồ thông thường của lọc song song.

Hình 2.14: Mạch lọc thụ động song song

- Cung cấp điện kháng thấp để điều chỉnh tần số;

- Cung cấp thành phần hài riêng tới tải hơn là đến từ nguồn;

- Chỉ yêu cầu dòng hài qua và không là toàn bộ dòng tải;

- Cải thiện hệ số công suất dịch chuyển và hệ số công suất tổng

- Chỉ lọc được một tần số được điều chỉnh;

- Có thể tạo ra cộng hưởng hệ thống;

- Có thể thêm vào sóng hài từ những tải phi tuyến khác;

- Nhiều mạch lọc được yêu cầu để đảm bảo giới hạn sóng hài mong muốn

2.3.1.3 Điện kháng xoay chiều nối tiếp

Cấu hình cơ bản được chỉ ra trong Hình 2.15 Loại này lọc tất cả tần số sóng hài, bằng cách thay đổi độ lớn

Hình 2.15: Điện kháng vào xoay chiều nối tiếp

- Nâng cao hệ số công suất thực;

- Mạch lọc không tạo ra cộng hưởng hệ thống;

- Bảo vệ chống lại những nhiễu loạn trên đường dây

- Phải chịu toàn bộ dòng tải danh định;

- Chỉ có thể cải thiện méo dòng hài tới 30 – 40% là tốt nhất;

- Chỉ giảm ít hệ số công suất dịch chuyển

2.3.1.4 Lọc thông thấp (Lọc dải rộng)

Cấu hình cơ bản được chỉ ra trong Hình 2.16 Nó có khả năng loại bỏ tất cả tần số sóng hài trên tần số cộng hưởng

Hình 2.16: Mạch lọc thông thấp

- Giảm thiểu tất cả các tần số sóng hài;

- Không tạo ra bất kì sự cộng hưởng hệ thống nào;

- Không tạo thêm sóng điều hòa từ những nguồn khác;

- Cải thiện hệ số công suất thực

- Chịu toàn bộ dòng tải danh định

2.3.2.1 Khái quát mạch lọc tích cực

Trong những năm gần đây, cả nhà máy điện và hộ tiêu thụ đã chú trọng đến "chất lượng điện năng", đặc biệt là tổn thất điện áp và dòng điện do sóng hài gây ra cùng với hệ số công suất thấp Trước đây, phần lớn tải sử dụng là tải thụ động và tuyến tính, ít ảnh hưởng đến hệ thống điện Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã dẫn đến việc sử dụng nhiều tải phi tuyến như SMPS, chỉnh lưu và chopper Các thiết bị điện tử công suất hiện đại như diode, SCR, IGBT và MOSFET có năng suất xử lý điện năng cao, nhưng khi sử dụng quá mức, chúng có thể gây ra vấn đề lớn cho hệ thống điện Sự gia tăng dòng điện hài và công suất phản kháng dẫn đến điện áp tại các thanh cái bị méo, gây ra các sự cố như biến áp quá nóng, chất lượng điện áp giảm, và hỏng hóc thiết bị Để cung cấp năng lượng sạch cho hộ tiêu thụ, mạch lọc tích cực (APF) được áp dụng, với các công nghệ như vi điều khiển, DSP và FPGA mang lại nhiều ưu điểm so với bộ điều khiển analog.

Hình 2.17: Mạch lọc tích cực kết nối với tải phi tuyến

Do tải phi tuyến và dòng điện tải phi tuyến cao trong tự nhiên, các dòng điện bù từ APF được bơm vào tại các điểm PCC Điều này giúp loại bỏ sóng hài, làm cho dòng điện giữa nguồn tại các điểm PCC trở nên tự nhiên hơn Lọc tích cực (APF) là một giải pháp phổ biến để loại bỏ sóng hài trong hệ thống điện.

2.3.2.2 Các phạm vi công suất của lọc tích cực a Phạm vi công suất thấp

Các ứng dụng có công suất nhỏ hơn 100KVA chủ yếu phục vụ khu dân cư, tòa nhà kinh doanh, bệnh viện và các hệ truyền động công suất nhỏ và vừa Những hệ thống tải này yêu cầu mạch lọc tích cực phức tạp với đáp ứng động học cao và thời gian phản hồi nhanh, thường dao động từ vài chục đến vài mili giây.

Phạm vi công suất hoạt động của thiết bị từ 100kVA đến 10MVA, bao gồm các mạng điện trung và cao áp cũng như hệ thống truyền động điện công suất lớn Mục tiêu chính của các mạch lọc tích cực là loại bỏ hoặc giảm thiểu sóng điều hòa bậc cao trong dòng điện Tốc độ đáp ứng bù lọc trong hệ thống đạt khoảng hàng chục ms, cho thấy khả năng xử lý hiệu quả trong phạm vi công suất rất lớn.

Mạch công suất lớn thường được sử dụng trong hệ thống truyền tải và động cơ DC công suất cao Việc áp dụng mạch bù lọc tích cực cho các hệ thống này rất tốn kém do yêu cầu sử dụng linh kiện có khả năng đóng ngắt dòng điện ở công suất lớn Hệ thống này chỉ phù hợp cho tải phi tuyến.

2.3.2.3 Phân loại mạch lọc tích cực

APF được phân loại dựa trên loại nghịch lưu, cấu trúc và số pha Các loại nghịch lưu bao gồm CSI (Current Source Inverter) và VSI (Voltage Source Inverter) Cấu trúc của APF có thể được thiết kế theo kiểu mắc song song, nối tiếp hoặc kết hợp cả hai.

Sự phân loại ba dạng này là dựa trên số pha, như hệ thống 2 dây (1 pha) và 3 pha 3 dây hoặc 4 dây

Hình 2.18: Phân chia mạch lọc tích cực theo các cấu hình mạch công suất 2.3.2.3.1 Mạch lọc tích cực dạng nối tiếp

APF mắc nối tiếp, như thể hiện trong Hình 2.19, được kết nối với đường dây phân phối thông qua một biến áp VSI hoạt động như nguồn điều khiển, do đó cấu hình nguyên tắc của APF nối tiếp tương tự như APF song song, nhưng ảnh hưởng điện kháng của APF song song được thay thế bằng ảnh hưởng của biến áp.

Hình 2.19: Mạch lọc mắc nối tiếp

Nguyên tắc hoạt động của APF mắc nối tiếp dựa trên việc cô lập sóng hài trong tải phi tuyến và nguồn Quá trình này được thực hiện bằng cách bơm điện áp hài (V f) qua các biến áp, từ đó điều chỉnh điện áp nguồn để duy trì dạng sóng điện áp hình sin thuần túy trên tải phi tuyến.

APF nối tiếp ít phổ biến hơn so với APF mắc song song do yêu cầu chịu dòng tải cao hơn, dẫn đến sự gia tăng dòng định mức đáng kể, đặc biệt là ở phía thứ cấp của giao diện máy biến áp, gây ra tổn thất I²R Tuy nhiên, APF nối tiếp có lợi thế lớn trong việc loại bỏ sóng hài một cách lý tưởng hơn so với APF mắc song song.

Nguyên tắc hoạt động mạch lọc tích cực dạng lai ghép

Cấu hình mạch lọc tích cực dạng lai ghép được thấy trong Hình 3.1

Hình 3.1: Cấu hình mạch lọc tích cực dạng lai ghép

Cấu hình đề xuất APF dạng lai ghép bao gồm bộ lọc tích cực (APF) và bộ lọc thụ động (PF) kết nối với tải phi tuyến và nguồn AC, với mục tiêu hấp thụ dòng điện hài bậc 5 và bậc 7 Bộ PF hoạt động theo nguyên tắc cộng hưởng nối tiếp, trong khi bộ lọc tích cực APF bù đắp các dòng điện hài còn lại APF tạo ra dòng điện bù (i f) ngược pha với dòng điện hài của tải (i Lh) và bơm vào lưới tại điểm kết nối (PCC) thông qua cuộn dây Nhờ vậy, dòng điện nguồn (i s) được thiết kế thành hình sin và cùng pha với nguồn áp (V s), giúp tối ưu hóa hệ số công suất Bộ APF bao gồm bộ chuyển đổi nguồn điện (VSI) và tụ điện, hoạt động như một phần tử lưu trữ điện áp DC.

Xây dựng mô hình mạch lọc tích cực dạng lai ghép

Mô hình mạch lọc tích cực dạng lai ghép gồm có: Nguồn 3 pha 4 dây đấu hình sao, tải phi tuyến, mạch lọc tích cực 3 pha, mạch lọc thụ động

Với nguồn cân bằng và đối xứng 3 pha, gồm 3 nguồn 1 pha điện áp đỉnh là

220 , mỗi pha lệch nhau 120 điện, tần số 50Hz Ngoài ra, nguồn có dây trung tính để cấp cho tải không cân bằng

Hình 3.2: Nguồn xoay chiều 3 pha và các thành phần của nó

Các thông số cài đặt cho pha a được trình bày trong Hình 3.3 Pha b và pha c được cài đặt tương tự như pha a, với tham số góc pha tương ứng là -120 độ cho pha b và 120 độ cho pha c.

Hình 3.3: Thông số cài đặt của pha A 3.2.2 Tải phi tuyến không cân bằng

Tải phi tuyến bao gồm chỉnh lưu cầu 1 pha và chỉnh lưu cầu 3 pha, tạo thành tải phi tuyến 3 pha bất đối xứng với tải RL tiêu thụ điện DC Tải RL sẽ tiêu thụ dòng điện DC sau khi đi qua mạch chỉnh lưu.

Hình 3.4: Tải phi tuyến 3 pha không cân bằng

Tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha là tải RL, với R0Ω, L.-3H

Tải DC của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha là tải RL, với R=3Ω, L=1,5e-2H

3.2.3 Tính toán dòng điện tham chiếu bù sử dụng thuyết P-Q

Việc lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ lọc tích cực song song nhằm cung cấp tín hiệu ngõ ra phù hợp cho việc chuyển mạch các van bán dẫn VSI Hệ thống điều khiển bao gồm quá trình tính toán dòng điện và điện áp trong hệ a, b, c sang hệ tọa độ α, β Từ các giá trị này, công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q được tính toán trong hệ α, β Sau đó, tín hiệu công suất P được đưa qua bộ lọc thông thấp để tách thành phần hài, trong khi thành phần công suất Q được giữ nguyên và tính toán dòng điện bù cần thiết trong hệ α, β Cuối cùng, dòng điện bù được chuyển đổi từ hệ α, β sang hệ a, b, c nhưng với pha ngược.

Hình 3.5: Mô hình mạch lọc tích cực theo thuyết P_Q

Sử dụng phép chuyển đổi Clark, dòng điện và điện áp từ hệ trục abc có thể được chuyển đổi sang hệ trục αβ tương ứng một cách hiệu quả.

+ Công thức quy đổi điện áp:

+ Công thức quy đổi dòng điện:

Công suất tức thời thứ tự không được xác định bởi công thức p₀ = v₀.i₀ Công suất tác dụng được tính bằng p = vₐ.iₐ + vᵝ.iᵝ, trong khi công suất phản kháng được tính theo công thức q = vₐ.iᵝ - vᵝ.iₐ Các thành phần công suất p và q liên quan chặt chẽ đến điện áp và dòng điện trong hệ α-β.

Những thông số được minh họa trong Hình 3.5 cho một hệ thống điện 3 pha và có những ý nghĩa vật lý sau:

Giá trị công suất 1 chiều tức thời không tương ứng với năng lượng được chuyển giao cho các phụ tải, mà được xác định qua các thành phần thứ tự không của điện áp và dòng điện.

Giá trị công suất xoay chiều tức thời thứ tự không (p ~ 0) đại diện cho năng lượng thống nhất được trao đổi giữa các nguồn cung cấp và phụ tải thông qua các thành phần thứ tự không.

Giá trị công suất thực tức thời 1 chiều, ký hiệu là p, đại diện cho năng lượng được cung cấp cho các phụ tải tại một thời điểm nhất định, thông qua tọa độ a-b-c Đây là thành phần công suất mong muốn trong hệ thống điện.

~ p: là giá trị công suất xoay chiều tức thời Nó là năng lượng thống nhất được trao đổi giữa nguồn cung cấp và tải, thông qua tọa độ a-b-c

Công suất tức thời (q) là đại lượng được chuyển đổi giữa các pha của tải, không bao gồm việc trao đổi năng lượng giữa nguồn cung cấp và phụ tải Tuy nhiên, nó bị ảnh hưởng bởi sự tồn tại của các dòng điện không mong muốn trong hệ thống Trong trường hợp điện áp 1 pha hình sin cân bằng và tải cân bằng, công suất tức thời vẫn có thể được xác định, bất kể có hay không sóng hài.

- q : là giá trị công suất phản kháng trung bình tức thời, nó tương đương với công suất tức thời ( q  3 V I 1 cos 1 )

Hình 3.6: Thành phần công suất theo thuyết P_Q trong hệ toạ độ abc

37 Để tính toán dòng điện bù trong hệ tọa độ  -  các biểu thức (3.7) được đảo ngược và công suất bù (p ~ -p 0 và q) được sử dụng

- Từ khi dòng điện thứ tự không được bù, việc bù dòng điện trong trung tính chính là dòng điện i0

- Để có được các dòng điện bù tham chiếu trong hệ toạ độ a-b-c nghịch đảo của các chuyển đổi đưa ra trong biểu thức (3.8) được áp dụng

Các tính toán đã được tổng hợp trong Hình 3.7, thể hiện bộ lọc tích cực mắc song song Chiến lược điều khiển đảm bảo công suất nguồn tức thời luôn duy trì ở mức hằng số.

- Các dòng điện pha cung cấp trở thành sin, cân bằng, và cùng pha với điện áp

- Còn dòng điện dây trung tính bằng 0

- Tổng công suất tức thời cung cấp, được thực hiện liên tục p 3 s   t  v a i sa  v b i sb  v c i sc (3.9)

Hình 3.7: Các khâu tính toán cho 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

Phương pháp thuyết p-q được sử dụng để tính toán dòng bù cần thiết cho chức năng lọc sóng điều hòa bậc cao và bù CSPK Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là yêu cầu điện áp nguồn phải là sóng sin và cân bằng Nếu điều kiện này không được đáp ứng, tính chính xác của thuyết p-q sẽ bị ảnh hưởng Để khắc phục tình trạng điện áp lưới không đạt yêu cầu hoặc mất cân bằng, có hai giải pháp khả thi.

Một trong những phương pháp hiệu quả để xử lý điện áp lưới là lọc bỏ thành phần sóng điều hòa trước khi thực hiện tính toán Phương pháp này thường được áp dụng khi tần số của sóng điều hòa cao và không làm thay đổi góc pha của điện áp Tuy nhiên, giải pháp này chỉ hoạt động tốt trong trường hợp không có thành phần thứ tự nghịch, điều này là một hạn chế cần lưu ý.

Một phương pháp phổ biến để xác định thành phần cơ bản của điện áp tại điểm kết nối là sử dụng mạch PLL (Phase-locked loop) Khi áp dụng lý thuyết p-q trong thuật toán điều khiển thiết bị lọc sóng điều hòa bậc cao và bù CSPK, thành phần dòng điện ảo cũng xuất hiện Tuy nhiên, thành phần dòng ảo này có thể bị triệt tiêu nếu quá trình lọc được thực hiện với đặc tính tương đồng, nghĩa là nó chỉ xuất hiện khi tính toán dòng bù chuẩn chỉ bù p ~ hoặc q ~.

39 bù q Khi tính toán dòng bù cho cả p ~ và q ~thì sẽ triệt tiêu được thành phần dòng ảo này[10][14]

3.2.4 Cấu trúc điều khiển dòng điện trễ để chuyển đổi tín hiệu phát (Hystersis)

Có nhiều phương pháp để điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp, nhưng phương pháp điều khiển nguồn dòng phổ biến nhất hiện nay là phương pháp hysteresis, còn được gọi là phương pháp bang-bang.

Dòng điện điều khiển là dòng điện hiệu dụng đã được điều chỉnh bằng cách tính toán và bù trừ dòng hài với dòng điện phát, từ đó xác định được dòng điện điều khiển cuối cùng.

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng của khâu điều khiển dòng điện trễ

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	2,32 MB