Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống điều Khiển Lọc Lựa Chọn Sóng Hài Cho ...

Tải bản đầy đủ (.pdf) (62 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Điện - Điện tử

Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọn sóng hài cho bộ lọc tích cực LCL

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.75 MB, 62 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI---------------------------------------MAI TRƯỜNG VIỆTNGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN LỌC LỰA CHỌNSÓNG HÀI CHO BỘ LỌC TÍCH CỰC LCLChuyên ngành: Điều khiển và tự động hóaLUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓANGƯỜI HƯỚNG DẪNPGS.TS. Bùi Quốc KhánhHà Nội - 2015LỜI CAM ĐOANEm xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp có đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệthống điều khiển lọc lựa chọn song hài cho bộ lọc tích cực LCL” do em thực hiệndưới sự hướng dẫn củaPGS.TS. Bùi Quốc Khánh.Các số liệu và kết quả hoàn toàntrung thực.Ngoài các TLTK đã dẫn ra ở cuối sách em đảm bảo rằng không sao chép cáccông trình hoặc TKTN của người khác.Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều camđoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.Học viênMai Trường ViệtMục LụcMục LụcDANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 5DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU................................................................................... 7LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 8Chương 1TỔNG QUAN LỌC TÍCH CỰC BA PHA ............................................ 91.1.Đặt vấn đề. ..................................................................................................... 91.2.Các nguồn phát sinh và ảnh hưởng của sóng hài bậc cao. ............................ 91.2.1.Các nguồn phát sinh sóng hài bậc cao. ................................................... 91.2.2.Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao. ......................................................... 111.3.Các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng. ..................................................... 121.4.Cấu trúc mạch lực của mạch lọc tích cực ba pha. ....................................... 131.5.Các phương pháp tính toán lượng đặt cho thành phần sóng hài. ................ 15Chương 2TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO MẠCH LỌC VỚIDÒNG HIỆU DỤNG 100A ...................................................................................... 172.1.Thiết kế trang bị điện tủ lọc tích cực có dòng hiệu dụng 100A. ................. 172.1.1.Các phần tử đóng cắt. ........................................................................... 172.1.2.Tính chọn module công suất. ................................................................ 182.2.Tính toán tụ điện một chiều và lựa chọn điện trở nạp tụ. ............................ 202.3.Thiết kế mạch đo. ........................................................................................ 222.4.Tính toán lựa chọn mạch lọc LCL. .............................................................. 232.4.1.Sơ đồ nguyên lý. ................................................................................... 232.4.2.Tính chọn mạch lọc LCL. ..................................................................... 233Mục LụcChương 3XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN LỌC TÍCH CỰCBA PHA….. .............................................................................................................. 263.1.Cấu trúc điều khiển lọc tích cực ba pha....................................................... 263.2.Mạch vòng khóa pha PLL. .......................................................................... 273.2.1.Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. ......................................................... 283.2.2.Thiết kế bộ điều khiển cho vòng khóa pha PLL. .................................. 293.3.Mạch vòng điều chỉnh nghịch lưu nguồn áp ở chế độ chỉnh lưu tích cực... 323.3.1.Vòng điều khiển dòng điện. .................................................................. 323.3.2.Thiết kế bộ điều khiển điện áp một chiều. ............................................ 363.4.Tính toán lượng đặt cho thành phần sóng hài. ............................................ 373.4.1.Khâu phát hiện sóng hài........................................................................ 373.4.2.Kiểm chứng khối phát hiện sóng hài ( Harmonic Dectection ). ........... 383.4.3.Bộ điều khiển cho thành phần sóng hài bậc cao. .................................. 41Chương 4KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LỌC TÍCH CỰCBA PHA….. .............................................................................................................. 464.1.Tham số mô phỏng. ..................................................................................... 464.2.Kiểm chứng mạch vòng điều khiển cho thành phần sóng hài bậc cao . ...... 474.3.Kiểm chứng vòng điều khiển cho chỉnh lưu tích cực. ................................. 494.4.Mô phỏng kiểm chứng toàn bộ hệ thống lọc tích cực ba pha ..................... 52Kết luận…… ........................................................................................................... 558TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 560PHỤ LỤC…. ............................................................................................................ 60Các ph p chu ển đổi hệ trục tọa độ ................................................................... 604Danh mục hình vẽDANH MỤC HÌNH VẼHình 1-1. Cấu trúc của một hệ thống lọc tích cực. ....................................................... 14Hình 2-1. Nguyên lý mạch driver sử dụng HCPL 316J. ............................................... 19Hình 2-2. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. ....................................................................... 19Hình 2-3. Sơ đồ lắp đặt tụ. ............................................................................................ 21Hình 2-4. Mạch đo sử dụng INA129/128. ..................................................................... 22Hình 2-5. Cấu trúc bộ lọc LCL. .................................................................................... 23Hình 3-1. Cấu trúc điều khiển lọc tích cực cấu hình đo dòng nguồn. .......................... 26Hình 3-2. Cấu trúc vòng khóa pha. ............................................................................... 28Hình 3-3. Mô hình khối vòng khóa pha. ....................................................................... 29Hình 3-4. Đồ thị bode hệ hở.......................................................................................... 31Hình 3-7. Mạch vòng điều khiển dòng điện trên trục d – q. ........................................ 35Hình 3-8. Đồ thị Bode của Hk với Kp thay đổi. ............................................................ 36Hình 3-9. Mô hình khối phát hiện sóng hài. ................................................................. 38Hình 3-10. Đồ thị bode bộ lọc. ...................................................................................... 38Hình 3-11. Cấu trúc kiểm chứng khối phát hiện sóng hài. ........................................... 39Hình 3-12. Tín hiệu xếp chồng 3 thành phần – thể hiện ở Scope 1. ............................. 40Hình 3-13. Tín hiệu sau khi lọc – tín hiệu trên Scope 2. ............................................... 40Hình 3-14. Tín hiệu xếp chổng 2 thành phần điều hòa bậc cao – tín hiệu trên Scope 3....................................................................................................................................... 41Hình 3-15. Đồ thị bode của bộ điều khiển. ................................................................... 43Hình 3-16. Đáp ứng tần số mạch kín với Kp thay đổi. ................................................. 44Hình 4-1. Cấu trúc mô phỏng kiểm chứng cho bộ điều khiển sóng hài bậc cao. ......... 47Hình 4-2. Dòng điện lưới sau khi lọc kiểm định. .......................................................... 48Hình 4-3. Phổ sóng hài sau khi lọc . ............................................................................. 49Hình 4-4. Cấu trúc kiểm tra thuật toán điều khiển cho vòng chỉnh lưu tích cực. ........ 50Hình 4-5. Dòng điện nạp tụ........................................................................................... 50Hình 4-6. Đáp ứng điện áp trên tụ. ............................................................................... 515Danh mục hình vẽHình 4-7. Dòng Id - Iq................................................................................................... 51Hình 4-8. Cấu trúc mô phỏng toàn bộ hệ thống APF. .................................................. 52Hình 4-9. Khối các bộ điều khiển.................................................................................. 53Hình 4-10. Dòng điện phía tải. ..................................................................................... 53Hình 4-11. Phân tích phổ dòng điện nguồn khi chưa lọc. ............................................ 54Hình 4-12. Dòng điện cần bù. ....................................................................................... 54Hình 4-13. Dòng đầu nguồn sau khi bù trong thời gian quá độ. .................................. 55Hình 4-14. Dòng điện phía nguồn khi xác lập. ............................................................. 55Hình 4-15. Phổ dòng điện nguồn sau khi bù................................................................. 56Hình 4-16. Đáp ứng điện áp trên tụ. ............................................................................. 56Hình 4-17. Điện áp dây đầu ra nghịch lưu. .................................................................. 576Danh mục hình vẽDANH MỤC BẢNG SỐ LIỆUBảng 1-1. ác ậc s ng h i v hệ số m oDcủa đ n hu nh quang .................. 10Bảng 1-2. Giới thiệu về nhiễu điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519. .............................. 12Bảng 1-3. Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519. ............................ 13Bảng 2-1. Thống số kỹ thuật của van CM400HA-34H. ................................................ 18Bảng 2-2. Tham số tính toán và thực tế lựa chọn cho bộc lọc LCL ............................. 25Bảng 4-1. Bảng tham số mô phỏng. .............................................................................. 467Lời nói đầuLỜI NÓI ĐẦUCùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, sự phát triển của đấtnước và yêu cầu mở rộng, nâng cao chất lượng sản xuất đã thúc đẩy sự phát triển củalĩnh vực điện tử công suất - lĩnh vực đảm nhiệm giải quyết các vấn đề về nănglượng, chất lượng nguồn cung cấp với kỹ thuật cao.Hòa nhịp với sự phát triển đó, trong học kỳ này em được phân công thực hiệnđồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển lọc lựa chọnsong hài cho bộ lọc tích cực LCL” với mục tiêu bù một số thành phần sóng hài chobộ chỉnh lưu cầu ba pha với tải điện trở và cuộn cảm – cụ thể là các bậc 5, 7, 11, 13,17, 19, 23, 25.Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản như sau:- Tổng quan lọc tích cực a pha.- Tính toán mạch lực.- Xây dựng hệ thống điều khiển.- Mô phỏng kiểm chứng.i đặt thực nghiệm.Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh.Luận văn củaem đã hoàn thiện được những hạng mục nhất định. Do thời gian làm đồ án ngắn vàkhả năng còn hạn chế, chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sựđóng góp của thầy cô và các bạn.nội, ng y 25 tháng 3 năm 2015ọc viên thực hiệnMai Trường Việt8Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba phaChương 1 TỔNG QUAN LỌC TÍCH CỰC BA PHA1.1. Đặt vấn đề.Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người cũng như hoạt động sản xuấtngày càng yêu cầu các thiết bị khoa học kỹ thuật tiên tiến. Đồng nghĩa với việc đókhông những nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày một tăng cao mà yêu cầu về chấtlượng điện năng cũng ngày một tốt hơn. Tuy nhiên trong thực tế trên hệ thống điện córất nhiều các thiết bị điện phát sinh dòng điện phi tuyến – cái tổng hợp của rất nhiềubậc sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng cục bộ đến chất lượng điện năng, trực tiếp gâyảnh hưởng đến các thiết bị sử dụng điện khác trong lưới điện làm giảm tuổi thọ cũngnhư chất lượng làm việc của các thiết bị điện đó.Đã có nhiều phương pháp được đưa ra để giảm bớt các ảnh hưởng tiêu cực củasóng hài được áp dụng vào thực tế ví dụ như lọc thụ động, lọc tích cực.Tuy nhiên vớicác đặc điểm nổi trội, khả năng làm việc cũng như hiệu quả lọc của lọc tích cực(Active Filter ) và khả nănggiải quyết được các nhược điểm của các loại lọc truyềnthống khác đã làm cho nó ngày càng được quan tâm và bắt đầu có những thành tựumới. Trên giới hiện naycó nhiều hãng đã và đang nghiên cứu, phát triển các bộ lọc tíchcực có khả năng làm cho dòng điện đạt được các tiêu chuẩn đặt ra hiện nay.Trên thếgiới đã có nhiều tiêu chuẩn nhằm quy định lượng sóng hài được phép tồn tại trên lướinhư tiêu chuẩn IEEE std 519, IEC 100-3-4.1.2. Các nguồn phát sinhvà ảnh hưởng của sóng hài bậc cao.1.2.1. Các nguồn phát sinh sóng hài bậc cao.-Máy biến áp : hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp có thể sinh ra sónghài bậc cao. Khi biên độ điện áp và từ thông đủ lớn để rơi vào vùng khôngtuyến tính trong đường cong B-H sẽ dẫn đến dòng điện từ bị méo và sản sinh racác sóng điều hoa bậc cao. Ngoài ra cái máy biến áp cũng gây ra sóng điều hòabậc cao nếu vận hành ở điện áp cao hơn điện áp định mức.9Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha-Các nguồn sóng hài được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến. Các phần tử phituyến điển hình có trong hệ thống lưới điện là l i thép của M A, các thiết bịđiện tử công suất sử dụng các van bán dẫn như diode, thyristor các bộ chỉnhlưu, nghịch lưu, UPS… , các lò hồ quang điện, lò nấu thép, lò tôi cao tần, cácđ n điện tử…-Động cơ: tương tự M A, động cơ xoay chiều khi hoạt động sinh ra sóng điềuhòa bậc cao. Các sóng điều hòa bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liênquan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto vàstato. Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng điều hòa bậc cao bởi vìdạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính, các đường rò và do các dâyquấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.-Đ n huỳnh quang: các đ n huỳnh quang đang được sử dụng rộng rãi do có ưuđiểm là tiết kiệm được chi phí. Thực tế thì loại đ n này không hơn gì về hiệuquả tạo ánh sáng với đ n dây đốt, điểm nổi trội hơn của nó là độ sáng được duytrì trong thời gian dài, tuổi thọ lớn hơn. Tuy nhiên sóng điều hòa bậc cao sinh rabởi đ n huỳnh quang cũng rất lớn.Bảng 1-1.Các bậc sóng hài và hệ số méo IHDcủa đ n huỳnh quangCác bậc sóng hài h k và hệ số méo thành phần IHDcủa đ n huỳnh quangh(k)IHD (%)h(k)IHD (%)h(k)IHD (%)0-80160,3110093,2170,820,3100,1180,5313,9112,2191,440,3120,3200,410Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba pha-59131,7211,260,2140,3220,673,3151,9230,6Lò hồ quang: theo thống kê thì điện áp lò hồ quang cho thấy sóng điều hòa bậccao đầu ra biến thiên rất lớn ví dụ như sóng điều hòa bậc 5 là 8% khi bắt đầunóng chảy, 6% ở cuối gian đoạn nóng chảy và 2% của giai đoạn cơ bản trongsuốt thời gian tinh luyện.-Các bộ biến đổi điện tử công suất: bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất(chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều… đều được cấu thành từ các thiết bịbán dẫn như diode, thyristor, MOSFET, IG T, GTO… là những phần tử phituyến là nguồn gốc gây sóng điều hòa bậc cao. Tùy thuộc vào cấu trúc của cácbộ biến đổi mà sóng điều hòa sinh ra khác nhau. Các mạch chỉnh lưu trong biếntần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưngthành phần đầu vào chứa nhiều sóng điều hòa. Do đó để giảm bớt sóng điều hòacó thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lại với nhau tạo thành chỉnhlưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24xung sẽ cho ra dòng điện trơn hơn, giảm được các thành phần điều hòa. Từ đócó thể thấy là khi muốn giảm sóng điều hòa dòng điện ta có thể tăng số vantrong mạch chỉnh lưu lên. Tuy nhiên khi đó gây ra một số bất lợi như cồngkềnh, nặng, điều khiển phức tạp, tổn thất công suất và sinh ra sóng điều hòadòng điện bậc cao khi tải không đối xứng hoặc điện áp không đối xứng.1.2.2. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao.Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là nó làm tăng giá trị hiệu dụng cũngnhư giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp,có thể thấy rõ vấn đề đó qua công thức sau:11Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba phaTU12u  t  dt  U 1 1  THDU2T 0Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài dâynên thì có các vấn đề nảy sinh sau đây:-Làm tăng phát nóng của các thiết bị điện, dây dẫn điện.-Ảnh hưởng đến độ bền cách điện của vật liệu.-Làm các thiết bị bảo vệ tác động sai.-Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng, ảnh hưởng đến momen trêntrục động cơ.-Gây ảnh hưởng điến các thiết bị viễn thông.-Làm tăng phát nóng và giảm tuổi thọ của các hệ thống tụ bù. Ngoài ra còn cótrường hợp cộng hưởng sóng hài gây điện áp trên tụ tăng cao làm hỏng tụ bù.1.3. Các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng.Để hạn chế những ảnh hưởng xấu của sóng hài bậc cao cũng như đưa ra một tiêuchuẩncụ thể trên thế giới đã đặt ra các tiêu chuẩn nhằm hướng dẫn và giới hạn vềnhiễu dòng điện và điện áp . Ví dụ tiêu chuẩn IEEE std 519.Bảng 1-2. Giới thiệu về nhiễu điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519.Điện áp tại điểm nối chungPCC (Point of CommonNhiễu điệp áp của từng bậcsóng hài IVDHệ số méo tổng TDHcủa điện áp Total(Individual VoltageHarmonic VoltageDistortion)Distortion)Từ 69kV trở xuống3,05,0Trên 69kV đến161kV1,52,5Trên 161kV1,01,0Coupling)12Chương 1. Tổng quan lọc tích cực ba phaBảng 1-3. Giới hạn nhiễu dòng điện theo tiêu chuẩn IEEE std 519.Nhiễu dòng điện tối đacủa dòng tải Maximum Harmonic Current DistortionISC/ILh