Thạc Sĩ Nghiên cứu bộ lọc và bù công suất phản kháng dùng thiết bị điện tử công suất

LỜI NÓI ĐẦU.

Với sự phát triển không ngừng của đất nước. Điện năng cung cấp cho phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo. Trong điều kiện vận hành, truyền tải điện năng, do trên lưới có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Các thành phần sóng điều hòa bậc cao này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện năng . Do đó các thành phần dòng điều hòa bậc cao trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn các thành phần điều hòa bậc cao. Hiện nay, ở nước ta chưa có một tiêu chuẩn nào đối với thành phần điều hòa bậc cao cho phép trên lưới nhưng trên thế giới đã có nhiều tiêu chuẩn về sóng điều hòa bậc cao trên lưới như tiêu chuẩn IEEE std 519, tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 việc tuân theo các tiêu chuẩn này là bắt buộc để đảm bảo chất lượng điện năng.

Giải pháp để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc tích cực. Bộ lọc tích cực dựa trên thiết bị điện tử công suất và điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Vì vậy, sau 2 năm học tập và nghiên cứu tôi đã lựa chọn đề tài là “Nghiên cứu bộ lọc và bù công suất phản kháng dùng thiết bị điện tử công suất”.

Nội dung luận văn đi vào xây dựng cấu trúc lực và thuật điều khiển để lọc sóng điều hòa bậc cao và nâng cao hệ số công suất cho nguồn bể mạ. Để thực hiện, nội dung luận văn cần giải quyết các yêu cầu sau:

- Nghiên cứu tải bể mạ, đánh giá các thành phần dòng điện bậc cao sinh bởi bể mạ lên lưới.

- Nghiên cứu lý thuyết bộ lọc từ đó xây dựng cấu trúc và thuật điều khiển cho bộ lọc tích cực.

- Đánh giá chất lượng dòng điện trên lưới sau khi sử dụng bộ lọc. Chất lượng dòng sau khi lọc phải đảm bảo nằm trong tiêu chuẩn cho phép.

Các yêu cầu đó sẽ được làm rõ và giải quyết trong luận văn. Các vấn đề được trình bày trong bốn chương:

Chương 1: Tổng quan về sóng điều hòa và bù công suất phản kháng

Chương 2: Các bộ lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng

Chương 3: Thiết kế bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng dùng chỉnh lưu PWM.
Chương 4: Thiết kế bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng cho tải bể mạ

nhôm 5000A, 24V

Trong quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS. Bùi Quốc Khánh cùng với sự cố gắng của bản thân, nay đã hoàn thành. Tuy nhiên bản bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn.




MỤC LỤC

Lời cam đoan . 1

Mục lục .2

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt . 3

Danh mục các bảng .4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị .5

Lời nói đầu .10

Chương 1. Tổng quan về sóng điều hòa và bù công suất phản kháng .12

1.1. Đặt vấn đề . 12

1.2. Tổng quan về sóng điều hòa . 12

1.3. Tổng quan về công suất phản kháng . .24

1.4. Kết luận 27

Chương 2. Các bộ lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng .28

2.1. Các bộ lọc sóng điều hòa . 28

2.2. Các phương pháp bù công suất phản kháng .40

2.3. Kết luận 47

Chương 3. Thiết kế bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng dùng chỉnh lưu

PWM 48

3.1. Khái quát chung về chỉnh lưu PWM .48

3.2. Ứng dụng chỉnh lưu PWM để làm bộ lọc tích cực 51

3.3. Cấu trúc mạch lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng dùng chỉnh lưu PWM . . 59
3.4. Kết luận . 63

Chương 4.Thiết kế bộ lọc tích cực và bù CSPK cho tải bể mạ nhôm 5000A,24V.64

4.1. Đặt vấn đề .64

4.2. Phân tích ảnh hưởng của tải bể mạ lên lưới điện 66

4.3. Thiết kế bộ lọc cho nguồn bể mạ 77

4.4. Khảo sát mạch lọc với nguồn bể mạ . 85

4.5. Kết luận chung . 96



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF Active Filter


AFS Active Filter Series


CSI Current Source Inverter


CSPK Công suất phản kháng


DFT Discrete Fourier Transform FACT Flexible AC Transmission FFT Fast Fourier Transform
PLL Phase Locked Loop


SSSC Static Synchronous Series Controllers


STATCOM Static Synchronous Compensator


SVC Static Var Compensation


TCSC Thyristor Controlled Series Compensation


UPQC Unified Power Quality Controller


VSI Voltage Source Inverter




DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp.

Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống

Bảng 1.2


phân phối chung (từ 120V đến 69KV).


Bảng 1.3 Tiêu chuẩn IEC cho thiết bị có dòng đầu vào mỗi pha trên 75 A.

Bảng 4.1 Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn. Bảng 4.2 Biến thiên dòng điện với các thành phần sóng điều hòa.
Bảng 4.3 Giá trị các thành phần sóng điều hòa trong dòng điện nguồn.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Dạng sóng sin và dạng sóng điều hòa.
Hình 1.2 Phân tích Fn thành an và bn

Hình1.3 Phổ của sóng điều hòa

Hình 1.4 Mô hình chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển

Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều

Hình 1.5


khiển.


Hình 1.6 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu một pha.

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển.

Hình 1.8 Mô hình chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển.

Dòng điện lưới gây bởi bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều

Hình 1.9


khiển.


Hình 1.10 Phổ dòng điện chỉnh lưu cầu ba một pha không điều khiển.

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.
Hình 1.12 Mô hình bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

Hình
1.13
Dòng điện bộ chỉnh lưu cầu ba pha khi góc điều khiển là 3 00

Hình
1.14
Phổ dòng điện bộ chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển là 3 00

Hình
1.15
Dòng điện bộ chỉnh lưu cầu ba pha khi góc điều khiển là 9 00

Hình 1.16 Phổ dòng điện bộ chỉnh lưu cầu ba pha với góc điều khiển là 9 00

Hình 2.1 Bộ lọc RC

Hình 2.2 Bộ lọc LC

Hình 2.3 Mạch chỉnh lưu 12 xung không có bộ lọc
Hình 2.4 Kết quả thu được dạng dòng và áp
Hình 2.5 Phổ của điện áp tại B1
Hình 2.6 Bộ lọc thụ động
Hình 2.7 Phổ điện áp tại B1
Hinh 2.8 Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI Hình 2.9 Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI
Hình 2.10 Cấu hình bộ lọc tích cực song song
Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tích cực song song AF
Hình 2.12 Cấu hình bộ lọc tích cực nối tiếp (AFs)
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý bộ lọc nối tiếp
Hình 2.14 Mạch lọc tích cực 3 dây
Hình 2.15 Mạch lọc tích cực 4 dây có điểm giữa
Hình 2.16 Mạch lọc tích cực 4 dây Hình 2.17 Thiết bị lọc hỗn hợp Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc UPQC Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc SSSC Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc TCSC Hình 2.21 Sơ đồ cấu trúc SVC Hình 2.22 Sơ đồ cấu trúc Statcom
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Stacom
Hình 2.24 Nguyên lý bù của bộ bù tích cực.
Hình 2.25 Trạng thái hấp thụ công suất của bộ bù
Hình 2.26 Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù
Hình 3.1 Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM
Hình 3.2 Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM
Hình 3.3 Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM

Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM: a. Khi i L trùng u L .

Hình 3.4


b. Khi i L ngược u L .

Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển vòng hở chỉnh lưu PWM với chức năng lọc tích cực.

Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển vòng kín chỉnh lưu PWM với chức năng lọc tích cực.
Hình 3.7 Phương pháp FFT
Hình 3.8 Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq

Hình 3.9 Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ dq
Hình 3.10 Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết p-q. Hình 3.11 Thuật toán điều khiển dựa trên lý thuyết p-q.
Hình 3.12 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực.
Hình 3.13 Sơ đồ mô tả phương pháp điều khiển bang-bang Hình 3.14 Điều khiển phát xung cho pha A bộ lọc tích cực Hình 3.15 Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện pha A

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống bể mạ.

Hình 4.2 Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng

Hình 4.3 Giải pháp bù sát nút phụ tải Hình 4.4 Hệ thống cấp nguồn cho bể mạ Hình 4.5 Mô hình hệ thống điêu khiển Hình 4.6 Nguồn xoay chiều 3 pha
Hình 4.7 Mô hình mạch lực của tải phi tuyến
Hình 4.8 Mô hình bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển.
Hình 4.9 Mô hình tải bể mạ.

Hình 4.10 Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ

Hình 4.11 Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải.

Hình 4.12 Khối tính toán công suất

Hình 4.13 Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha Hình 4.14 Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha Hình 4.15 Mô hình khối hiển thi tham số
Hình 4.16 Đồ thị điện áp nguồn cấp cho tải Hình 4.17 Dòng điện phía nguồn cấp cho tải Hình 4.18 Dòng điện nguồn pha A
Hình 4.19 Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E=8 (V)

Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại

Hình 4.20


E=16 (V)


Hình 4.21 Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E=22 (V)

Hình 4.22 Thành phần điều hòa bậc 5 của dòng điện nguồn pha A.
Hình 4.23 Thành phần điều hòa bậc 7 của dòng điện nguồn pha A.

Hình 4.24 Hệ số công suất khi chưa có mạch lọc

Hình 4.25 Dòng điện và điện áp nguồn pha A

Hình 4.26 Sơ đồ nguyên lý mạch lực có sử dụng bù.

Hình 4.27 Mô hình khối tính toán dòng bù chuẩn.

Hình 4.28 Khối chuyển điện áp trong hệ abc sang  . Hình 4.29 Khối chuyển dòng trong hệ abc sang  Hình 4.30 Khối tính toán công suất p, q
Hình 4.31 Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ. Hình 4.32 Khối tính toán công suất bù cung cấp bởi mạch lọc Hình 4.33 Khối tính toán dòng bù trong hệ 
Hình 4.34 Khối tính toán dòng bù trong hệ abc
Hình 4.35 Khối phát xung cho bộ nghịch lưu
Hình 4.36 Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù trong trường hợp điện áp nguồn lý tưởng
Hình 4.37 Nguồn lý tưởng cấp cho tải
Hình 4.38 Dòng điện nguồn sau khi mạch lọc tác động
Hình 4.39 Dòng điện nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động.
Hình 4.40 Phân tích sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=8(V) khi mạch lọc tác động
Hình 4.41 Phân tích sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=16 (V) khi mạch lọc tác động
Hình 4.42 Phân tích sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=22 (V) khi mạch lọc tác động.
Hình 4.43 Thành phần sóng điều hòa bậc 5 trước và sau khi mạch lọc tác động.
Hình 4.44 Thành phần sóng điều hòa bậc 7 trước và sau khi mạch lọc tác động.
Hình 4.45 Công suất nguồn trước và sau khi mạch lọc tác động
Hình 4.46 Công suất mạch lọc trước và sau khi tác động.
Hình 4.47 Hệ số công suất sau khi mạch lọc tác động.
Hình 4.48 Dòng điện, điện áp nguồn pha A sau khi mạch lọc tác động
Hình 4.49 Điện áp nguồn không cân bằng.
Hình 4.50 Dòng điện nguồn trong trường hợp điện áp nguồn không cân bằng
Hình 4.51 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A
Hình 4.52 Cấu trúc mạch PLL
Hình 4.53 Sơ đồ hệ thống điều khiển bể mạ có bù
Hình 4.54 Dòng điện nguồn sau khi lọc dùng PLL trong trường hợp điện áp
Hình 4.55 Sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A