Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến
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.
Bạn đang xem tài liệu "Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực 3 pha dưới tác động của tải phi tuyến
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 30 (55) - Thaùng 7/2017 10 Mô 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-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. HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH 11 1. 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 Tín hiệu Mô tả I_sa Dòng điện của pha a I_sb Dòng điện của pha b I_sc Dòng điện của pha c 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 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 12 A I_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 nknknk tVtV ),,( cbak (1) 1 )sin(2)( n nknknk tItI ),,( cbak (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]. 1 1 .. n n knnkknk VVV ),,( cbak (3) 1 1 .. n n knnkknk III ),,( cbak (4) 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 1 1 1 3 1 n an n bn n cn V V V V V V (5) Trong đó 0 (2 /3)1 120 je Ma trận biểu diễn điện áp thứ tự nghịch được biểu diễn như công thức (6) 0 2 2 1 1 1 1 1 an n bn n cn n V V V V V V (6) Triển khai ma trận điện áp trên ta được chi tiết các phương trình như (7) 0 0( ) 2 sin( ) 2 sin( )an n n n n n nv t V t V t 2 sin( )n n nV t 0 0 2 ( ) 2 sin( ) 2 sin( ) 3 bn n n n n n nv t V t V t 2 2 sin( ) 3 n n nV t (7) 0 0 2 ( ) 2 sin( ) 2 sin( ) 3 cn n n n n n nv t V t V t 2 2 sin( ) 3 n n nV t Tương tự như vậy, ta được dòng điện như (8) HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH 13 0 0 0 0 0 0 ( ) 2 sin( ) 2 sin( ) 2 sin( ) 2 ( ) 2 sin( ) 2 sin( ) 3 2 2 sin( ) 3 2 ( ) 2 sin( ) 2 sin( ) 3 2 2 sin( ) 3 an n n n n n n n n n bn n n n n n n n n n cn n n n n n n n n n i t I t I t I t i t I t I t I t i t 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. LR LL 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 ia, ib, ic là các dòng điện tải ứng với 3 pha, va, vb, vc 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 30 2 1 2 11 2 1 2 1 2 1 3 2 0 (9) Dòng điện ứng trên hệ trục αβ : c b a i i i i i i .. 2 3 2 30 2 1 2 11 2 1 2 1 2 1 3 2 0 (10) Theo đó, công thức công suất được tính bỡi công thức (11): i i i vv vv v q p p 000 0 0 00 .. (11) Công thức (12) là dòng điện càn phải có được trên bộ lọc [2]: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 14 * * 2 2 1 . c Loss c v vi p p p v vi v v q (12) Chuyển lại hệ tọa độ thực theo hệ phương trình (13) [2]: * * 0 * * * . 2/3 2/3 0 2/1 2/1 1 21 21 21 . 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 ica * , ica * , ica * 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 2 ( ) 2 HPF c c ks G s s s (14) Trong đó: Gain k Damping ratio Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p)) Ia V I_fa V I_a V hold2 V h Vaf_a V ka Vma V carr V K K K Vhold1 HPF LPF PI modify controller To the converter s pulse controll voltage for phase a i_afa HPF LPF Hình 4. Mạch nguyên lý điều khiển của pha a Khâu giữ bậc 2 lọc thông thấp (15): 2 2 2 ( ) 2 c LPF c c k G s s s (15) Trong đó: Gain k Damping ratio Cut-off frequency fc, in Hz (fc=wc/(2 p)) Modified PI (Proportional-integral) controller: _ 1 1 ( ) (1 )( ) 1 PI Modify p G s k sT sT (16) Trong công thức (16): Gain k Time constant of the controller T, in second Frequency of the pole fp , in Hz Mô tả tín hiệu trong sơ đồ khối điều khiển hình 4: Tín hiệu Mô tả Ghi chú 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 HUỲNH LÊ MINH THI N - HỒ VĂN CỪU - TRẦN THANH VŨ - ĐỖ ĐĂNG TRÌNH 15 Tương 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 three-phase four-leg multilevel inverters”, IEEE Letters, UK, vol.41, pp.43- MÔ HÌNH MÔ PHỎNG B LỌC TÍCH CỰC 3 PHA DƯỚI TÁC Đ NG CỦA TẢI PHI TUYẾN 16 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
File đính kèm:
- mo_hinh_mo_phong_bo_loc_tich_cuc_3_pha_duoi_tac_dong_cua_tai.pdf