ĐIỀU KHIỂN MẠCH lọc TÍCH cực để GIẢM SÓNG hài TRONG hệ THỐNG

Luận Văn Thạc sĩ

Mục lục

M CL C
CH

NG I: T NG QUAN……………………...………………………..Trang 1

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ……………………….…..…………..Trang 1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn ……….........…. Trang 4
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu ……….…..… Trang 4
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài …………………..….….… Trang 4
1.5 Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………..… Trang 5
Chư ng II: SịNG HÀI VÀ MỌ HÌNH TOÁN………………………….Trang 6
2.1 Sóng hài …………………………………………..………………..…. Trang 6
2.1.1 Các khái niệm về sóng hài ………………………...…................…. Trang 6
2.1.2 nh hưởng của sóng hài……………………….………………...……..Trang 8
2.1.3 Các giới hạn và tiêu chuẩn sóng hài…………………………………....Trang 9
2.1.3.1 Giới hạn sóng hài………………………………………………….….Trang 9
2.1.3.2 Tiêu chuẩn về sóng hài…………………………………………...…..Trang 9
2.2 Mô hình toán mạch lọc…………………………………………………Trang 12
2.2.1 Sơ đố mạch lọc………………………………………………….…….Trang 12
2.2.2 Các phép biến đổi điều khiển ………………………………….…….Trang 13
2.2.3 Dòng điện hiệu dụng đưa vào trong điều khiền…………………….....Trang 17
Chư ng III: GI I THU T T I

U HịA BẨY ĐÀN B

ĐI U KHI N PI

3.1 Lịch sử phát triển ………………………………………………...……. Trang 19
3.2 Các khái niệm cơ bản trong giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO ............. Trang 21
3.3 Mô tả thuật toán ...................................................................................... Trang 22
3.4 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO ..................... Trang 24
HVTH: Ngô Văn Quí

Trang v

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Mục lục

3.4.1 Mã hóa cá thể …..........................................................................…......Trang 24
3.4.1.1 Mã hóa nhị phân ................................................................................Trang 24
3.4.1.2 Mã hóa hoán vị ..................................................................................Trang 25
3.4.1.3 Mã hóa theo giá trị .............................................................................Trang 25
5.4.1.4 Mã hóa theo cấu trúc cây ...................................................................Trang 25
3.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu ....................................................................Trang 26
3.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) ............................................................Trang 27
3.4.4 Hàm vận tốc v ……....................................................................……...Trang 27
3.4.5 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể ……................................…....Trang 28
3.5 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO ……............................…......Trang 29
3.5.1 Đặc điểm ……............................................................................….......Trang 29
3.5.2

ng dụng ……..............................................................................…....Trang 30

3.6 Hiệu chỉnh bộ điều khiển PI bằng thuật giải bầy đàn ..............................Trang 30
Chư ng IV: S

Đ

M CH L C ............................................................Trang 34

4.1 Sơ đồ tổng thể của mạch lọc ....................................................................Trang 34
4.1.1 Nguồn điện ……………………………….…………………………..Trang 35
4.1.2 Tải phi tuyến …………………………………………………….........Trang 35
4.1.3 Mạch lọc tích cực (nghịch lưu 3 pha 4 dây) ………………...………..Trang 36
4.2 Cấu trúc điều khiển mạch lọc khiển (kiểu Hystersis) ………….……….Trang 36
Chư ng V: XỂY D NG MỌ HÌNH M CH L C ………………..…..Trang 40
5.1 Mô hình mạch lọc 3 pha 4 dây nguồn cân bằng trong Matlab Simulink………...
……………………………………………………………………………....Trang 40
5.1.1 Nguồn 3 pha 4 dây cân bằng ………………………………………...Trang 41
5.1.2 Đo dòng điện nguồn …………………………………………………Trang 42
5.1.3 Đo dòng điện tải …………………………………………...……….. Trang 42

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang vi

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Mục lục

5.1.4 Tải phi tuyến không cân bằng ………………………………………..Trang 43
5.1.5 CB đóng mạch lọc ………………………………………………….. Trang 44
5.1.6 Khối đo dòng điện phát ………………………………………………Trang 44
5.1.7 Bộ nghịch lưu 3 pha …………………………………..……………...Trang 45
5.1.8 Sơ đồ khối điều khiển ……………………………………….………..Trang 46
5.1.8.1 Khối chuyển trục tọa độ abc sang 0 ……………………………..Trang 46
5.1.8.2 Khối tính công suất tải ……………………………………...………Trang 47
5.1.8.3 Khối tính công suất nguồn …………………………………..……...Trang 48
5.1.8.4 Khối lọc công suất tải và điều khiển PI đưa lượng Ploos vào điều khiển
………………………………………………………………………..……..Trang 49
3.1.8.5 Khối biến đổi dòng bù từ hệ tọa độ 0 sang abc ……………….....Trang 49
5.1.8.6 Khối tính dòng hiệu chỉnh ………………………………...………..Trang 50
5.1.8.7 Khối đo lường …………………………………………..…………..Trang 50
5.1.8.7.1 Khối đo THD nguồn và tải ……………………………………….Trang 51
5.1.8.7.2 Khối đo cosφ nguồn và tải ………………………………...……..Trang 52
5.2 Mô hình mạch lọc 3 pha 4 dây nguồn không cân bằng trong Matlab Simulink
………………………………………………………………………..……..Trang 52
5.2.1 Mô hình nguồn 3 pha 4 dây không cân bằng …………………..……..Trang 53
5.2.2 Khối tính điện áp thứ tự thuận ………………………………………. Trang 54
5.2.3 Khối chuyển trục tọa độ abc sang 0 của điện áp thứ tự thuận

…. Trang 54

5.2.4 Khối tính công suất P và Q tải ……………………………………… Trang 55
Chư ng VI: K T QU MỌ PH NG T

M CH L C ………..…… Trang 56

6.1 Các loại tải ……………………………………….……………………. Trang 56
6.1.1 Tải loại 1 …………………………………………..………………… Trang 56

6.1.2 Tải loại 2 ……………………………………………………..……… Trang 56
6.1.3 Tải loại 3 …………………………………………………………….. Trang 57
6.1.4 Tải loại 4 …………………………………………………..………… Trang 57

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang vii

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Mục lục

6.2 Khảo sát sự làm việc của hệ thống 3 pha 4 dây nguồn cân bằng …….. Trang 58
6.2.1 Đối với tải loại 1 ………………………….…………………………. Trang 58
6.2.2 Đối với tải loại 2 …………………………………………..………… Trang 62
6.2.1 Đối với tải loại 3 …………………………………….………………. Trang 65
6.2.2 Đối với tải loại 4 ………………………………………………..…… Trang 69
6.3 Khảo sát sự làm việc của hệ thống 3 pha 4 dây nguồn không cân bằng
……………………………………………………………………………... Trang 72
6.2.1 Đối với tải loại 1 ………………………….…………………………. Trang 73
6.2.2 Đối với tải loại 2 …………………………………………..………… Trang 76
6.2.1 Đối với tải loại 3 …………………………………….………………. Trang 80
6.2.2 Đối với tải loại 4 ………………………………………………..…… Trang 83
6.3 Nhận xét chung ……………………………………………….……….. Trang 87

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang viii

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Danh sách các chữ viết tắt

DANH SÁCH CÁC CH

VI T T T

iS_abc:

Dòng điện 3 pha nguồn

iL_abc:

Dòng điện 3 pha tải

iF_abc:

Dòng điện phát 3 pha mạch lọc tích cực

iS_n:

Dòng điện trung tính nguồn

iL_n:

Dòng điện trung tính tải

iF_n:

Dòng điện phát trung tính từ mạch lọc

iS_0:

Dòng điện 3 pha nguồn trong hệ tọa độ 0

iL_0:

Dòng điện 3 pha tải trong hệ tọa độ 0

pS:

Công suất tác dụng của nguồn

pL:

Công suất tác dụng của tải

qS:

Công suất phản kháng của nguồn

qL:

Công suất phản kháng của tải

THD iS_abc: Tổng độ méo dạng hài dòng điện nguồn
THD iL_abc: Tổng độ méo dạng hài dòng điện tải
vS_0:

Điện áp 3 pha nguồn trong hệ tọa độ 0

Iđk_abc:

Dòng điện điều khiển bộ nghịch lưu

Iđk_n:

Dòng điện điều khiển nhánh thứ 4 của bộ nghịch lưu

CB:

Circuit Breaker

PWM:

Pulse Width Modulation

DC:

Direct Curent

IGBT:

Insulated Gate Bipolar Transistor

IEC:

International Electrotechnical Commission

IEEE:

Institute of Electrical and Electronics Engineers

LPF:

Low Pass Filter

PD:

Phase Disposition

POD:

Phase Opposition Disposition

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang ix

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Danh sách các chữ viết tắt

PF:

Power Factor

PI:

Proportional Integral

PLL:

Phase Locked Loop

PWM:

Pulse Width Modulation

THD:

Total Harmonic Distortion

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang x

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Thành phần cơ bản và các sóng hài ……………………………… Trang 6
Hình 2.2 Phổ của sóng hài …………………………………………………. Trang 7
Hình 2.3 Sơ đồ mạch lọc ………………………………………..………… Trang 13
Hình 2.4 Mô hình toán của mạch lọc …………………………..………… Trang 14
Hình 2.5 Ngõ vào và ra của bộ PI ………………………………………… Trang 16
Hình 2.6 Cách tính dòng điều khiển ………………………………..…….. Trang 18
Hình 3.1: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học ……….……..……….. Trang 26
Hình 3.2: Bộ điều khiển PI bằng giải thuật bầy đàn ……………………… Trang 31
Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PI …...……….. Trang 32
Hình 4.1 Sơ đồ mạch lọc tích cực ………………………………….. ……. Trang 34
Hình 4.2 Tính dòng điều khiển ……………………………...……………. Trang 36
Hình 4.3 Điều khiển dòng kiểu Hyteresis ……………………………..….. Trang 37
Hình 4.4 Nghịch lưu 3 pha 4 dây gồm 8 IGBT ……………………...…… Trang 38
Hình 5.1: Sơ đồ khối của mạch lọc ……………………………………….. Trang 40
Hình 5.2: nguồn 3 pha 4 dây cân bằng …………………………………… Trang 41
Hình 5.3: Sơ đồ đo dòng điện nguồn …………………………...………… Trang 42
Hình 5.4: Sơ đồ đo dòng điện tải …………………………………………. Trang 42
Hình 5.5: Tải phi tuyến không cân bằng ………………………...……….. Trang 43
Hình 5.6: Khối đo dòng điện phát ……………………………..…………. Trang 44
Hình 5.7: Bộ nghịch lưu 3 pha …………………………………………… Trang 45
Hình 5.8: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ abc sang 0 ……………….Trang 46
Hình 5.9: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ iS_abc sang iS_0 ……….. Trang 46
Hình 5.10: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ vS_abc sang vS_0 …..… Trang 46
Hình 5.11: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ iL_abc sang iL_0 ……… Trang 47
Hình 5.12: Sơ đồ khối tính công suất tải ………………………………..... Trang 47
Hình 5.13: Sơ đồ khối tính công suất nguồn …………………...………… Trang 48

Hình 5.14: Sơ đồ khối lọc công suất tải và đưa lượng Ploss vào điều khiển ………..
………………………………………………………………………...….... Trang 49
HVTH: Ngô Văn Quí

Trang xi

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

Hình 5.15: Khối biến đổi từ 0 sang abc ……………………….………. Trang 49
Hình 5.16: Sơ đồ khối hiệu chỉnh dòng điện điều khiển ……...………….. Trang 50
Hình 5.17: Sơ đồ khối đo lường …………………………...……….…….. Trang 51
Hình 5.18: Sơ đồ khối đo THD …………………………...……………… Trang 51
Hình 5.19: Mô hình tổng thể của mạch lọc nguồn 3 pha không cân bằng …………..
……………………………………………………………..………………. Trang 52
Hình 5.20: Mô hình nguồn 3 pha không cân bằng ……………………….. Trang 53
Hình 5.21: Khối phát hiện điện áp thứ tự thuận …………………….……. Trang 54
Hình 5.22: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ v_abc sang v_0 …….….. Trang 54
Hình 5.23: Sơ đồ khối tính P và Q tải ………………………..…………… Trang 55
Hình 6.1 Tải loại 1 …………………………...…………………………… Trang 56
Hình 6.2 Tải loại 2 …………………………………………………..……. Trang 56
Hình 6.3 Tải loại 3………………………….………………………..……. Trang 57
Hình 6.4 Tải loại 4 …………………………………………………..……. Trang 57
Hình 6.5 Điện áp nguồn …………………………………………………... Trang 58
Hình 6.6 Dòng điện tải ………………………………………….………… Trang 58
Hình 6.7 Dòng điện nguồn pha A, B, C …………………….…………….. Trang 59

Hình 6.8 Dòng điện trung tính nguồn …………………………………….. Trang 59
Hình 6.9 Công suất P và Q tải …………………………………...……….. Trang 60
Hình 6.10 Công suất P và Q nguồn ………………………….......….……. Trang 60
Hình 6.11 THD tải ………………………………………………….…….. Trang 60
Hình 6.12 THD nguồn ……………………………………………….…… Trang 61
Hình 6.13 Hệ số công suất tải ………………………………………..…… Trang 61
Hình 6.14 Hệ số công suất nguồn …………………………………….…... Trang 61
Hình 6.15 Điện áp nguồn ……………………………………………..…... Trang 62
Hình 6.16 Dòng điện tải ……………………………………….………..… Trang 62
Hình 6.17 Dòng điện nguồn pha A, B, C …………………….………….... Trang 63
Hình 6.18 Dòng điện trung tính nguồn ………………………………….... Trang 63
Hình 6.19 Công suất P và Q tải ………………………………...……..….. Trang 63

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang xii

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

Hình 6.20 Công suất P và Q nguồn ………………………….......…….…. Trang 64
Hình 6.21 THD tải …………………………………………………….….. Trang 64
Hình 6.22 THD nguồn ………………………………………………….… Trang 64
Hình 6.23 Hệ số công suất tải …………………………………………..… Trang 65
Hình 6.24 Hệ số công suất nguồn ……………………………………….... Trang 65
Hình 6.25 Điện áp nguồn …………………………………………………. Trang 66

Hình 6.26 Dòng điện tải ……………………………………….……..…… Trang 66
Hình 6.27 Dòng điện nguồn pha A, B, C ………………….…………..….. Trang 66
Hình 6.28 Dòng điện trung tính nguồn ………………………………….... Trang 67
Hình 6.29 Công suất P và Q tải ………………………………...……..….. Trang 67
Hình 6.30 Công suất P và Q nguồn ………………………….......….……. Trang 67
Hình 6.31 THD tải ………………………………………………….…….. Trang 68
Hình 6.32 THD nguồn ……………………………………………….…… Trang 68
Hình 6.33 Hệ số công suất tải ………………………………………..…… Trang 68
Hình 6.34 Hệ số công suất nguồn …………………………………….…... Trang 69
Hình 6.35 Điện áp nguồn ……………………………………………..…... Trang 69
Hình 6.36 Dòng điện tải ……………………………………….………..… Trang 69
Hình 6.37 Dòng điện nguồn pha A, B, C …………………….………….... Trang 70
Hình 6.38 Dòng điện trung tính nguồn ………………………………….... Trang 70
Hình 6.39 Công suất P và Q tải ………………………………….……….. Trang 70
Hình 6.40 Công suất P và Q nguồn ………………………….......……….. Trang 71
Hình 6.41 THD tải ………………………………………………………... Trang 71
Hình 6.42 THD nguồn ………………………………………………….… Trang 71
Hình 6.43 Hệ số công suất tải …………………………………………..… Trang 72
Hình 6.44 Hệ số công suất nguồn ……………………………………….... Trang 72
Hình 6.45 Điện áp nguồn ………………………………………………..... Trang 73
Hình 6.46 Dòng điện tải ……………………………………….………..… Trang 73
Hình 6.47 Dòng điện nguồn pha A, B, C …………………….………….... Trang 74
Hình 6.48 Dòng điện trung tính nguồn ………………………………….... Trang 74

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang xiii

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm

Luận Văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

Hình 6.49 Công suất P và Q tải ………………………………...……….... Trang 74
Hình 6.50 Công suất P và Q nguồn ………………………….......…….…. Trang 75
Hình 6.51 THD tải ………………………………………………………... Trang 75
Hình 6.52 THD nguồn ………………………………………………….… Trang 75
Hình 6.53 Hệ số công suất tải …………………………………………..… Trang 76
Hình 6.54 Hệ số công suất nguồn …………………………………….…... Trang 76
Hình 6.55 Điện áp nguồn ………………………………………………..... Trang 76
Hình 6.56 Dòng điện tải ……………………………………….……..…… Trang 77
Hình 6.57 Dòng điện nguồn pha A, B, C ……………….……………….... Trang 77
Hình 6.58 Dòng điện trung tính nguồn ………………………………..….. Trang 77
Hình 6.59 Công suất P và Q tải ………………………………...……..….. Trang 78
Hình 6.60 Công suất P và Q nguồn ………………………….......…….…. Trang 78
Hình 6.61 THD tải …………………………………………………….….. Trang 78
Hình 6.62 THD nguồn ……………………………………………….…… Trang 79
Hình 6.63 Hệ số công suất tải …………………………………………..… Trang 79
Hình 6.64 Hệ số công suất nguồn …………………………………….…... Trang 79
Hình 6.65 Điện áp nguồn ……………………………………………..…... Trang 80
Hình 6.66 Dòng điện tải ……………………………………….………..… Trang 80
Hình 6.67 Dòng điện nguồn pha A, B, C …………………….………..….. Trang 81
Hình 6.68 Dòng điện trung tính nguồn ………………………………..….. Trang 81
Hình 6.69 Công suất P và Q tải ………………………………...……..….. Trang 81
Hình 6.70 Công suất P và Q nguồn ………………………….......…….…. Trang 82
Hình 6.71 THD tải …………………………………………………….….. Trang 82
Hình 6.72 THD nguồn ……………………………………………….…… Trang 82
Hình 6.73 Hệ số công suất tải ………………………………………..…… Trang 83

Hình 6.74 Hệ số công suất nguồn …………………………………….…... Trang 83
Hình 6.75 Điện áp nguồn ………………………………………………..... Trang 83
Hình 6.76 Dòng điện tải ……………………………………….………… Trang 84
Hình 6.77 Dòng điện nguồn pha A, B, C …………………….………….. Trang 84

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang xiv

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Danh sách các hình

Hình 6.78 Dòng điện trung tính nguồn ………………………………….. Trang 84
Hình 6.79 Công suất P và Q tải ………………………………...……….. Trang 85
Hình 6.80 Công suất P và Q nguồn ………………………….......………. Trang 85
Hình 6.81 THD tải ……………………………………………………….. Trang 85
Hình 6.82 THD nguồn …………………………………………………… Trang 86
Hình 6.83 Hệ số công suất tải …………………………………………… Trang 86
Hình 6.84 Hệ số công suất nguồn ………………………………………... Trang 86

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang xv

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm

Luận Văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

CH

NG I: T NG QUAN

1.1 T ng quan v lĩnh v c nghiên c u.
Điện năng là nguồn năng lượng chủ yếu trên toàn Thế Giới, Việt Nam cũng
đang từng bước đưa nguồn năng lượng này tới các vùng sâu vùng xa…. Đây là
nguồn năng lượng chủ yếu cho sinh hoạt gia đình và trong công nghiệp sản xuất.
Điện năng được truyền tải phân phối khắp mọi nơi từ thành phố đến nông thôn, điện
năng được hòa đồng bộ từ bắc tới nam. Cuộc sống xã hội phát triển con người sử
dụng chủ yếu nguồn năng lượng này trong mọi lĩnh vực kinh tế xã hội, sinh hoạt gia
đình và vui chơi giải trí, đặc biệt là kỷ thuật điện tử ngày càng phát triển mạnh, nhu
cầu sử dụng điện ngày càng cao. Cho nên điện năng ngày càng được chú ý phát
triển và phải đảm bảo chất lượng nguồn cung cấp.
Chất lượng điện năng ở đây là phải cung cấp liên tục và đảm bảo về điện áp,
tần số và dạng sóng.

Việt Nam tất cả các thiết bị sử dụng 1 pha có điện áp 220V

tần số 50hz, thiết bị điện công nghiệp 3 pha điện áp dây là 380V tần số 50hz, dạng
sóng điện áp hình sin.
Ngày nay việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử công suất như máy
hàn điện, bộ nguồn ngắt dẫn, lò nhiệt, bộ điều khiển tốc độ động cơ…. Những thiết
bị điện tử này thường là tải phi tuyến làm méo dạng sóng nguồn dòng điện hình sin,
gây nhiễu cho các thiết bị khác, cho nên phải lắp thêm các thiết bị khác để chống

nhiễu là việc làm cần thiết.
Trên thực tế có nhiều dạng bù nhiễu khác nhau, chủ yếu là bù công suất phản
kháng đã bị mất đi, có thể là bộ tụ bù lọc nhiễu bù nền hay ứng động với dung
lượng bù được điều khiển qua đồng hồ đo công suất.
Mạch lọc tích cực là dạng bù có tính toán, bù đúng với lượng nhiễu gây ra.
Mạch lọc tích cực phát ra sóng hài có biên độ và tần số như sóng hài của tải nhưng
ngược pha với sóng hài của tải để triệt tiêu sóng hài tải. Cho nên mạch lọc tích cực
có nhiều ưu điểm trong ngành điện công nghiệp, hi vọng mạch lọc này sẽ đáp ứng
được trong thực tế cho mạng điện với giá thành thấp.

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 1

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Việc thiết kế mạch lọc tích cực để triệt tiêu sóng hài cho những tải phi tuyến là
việc làm cần thiết. Mạch lọc tích cực dựa vào dòng điện tải phi tuyến xác định hài
dòng điện, thông qua tính toán tạo ra dòng điều khiển mạch nghịch lưu 3 pha để đưa
lượng bù cần thiết lên lưới, ở đây chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu và mô phỏng trên
matlab simulink.
Việc thiết kế mạch lọc này dựa trên việc điều khiển bộ nghịch lưu 3 pha 4 dây
gồm 8 IGBT, hay còn gọi là điều khiển bộ biến tần. Ngày nay bộ biến tần được sử
dụng rất nhiều trong các nhà máy xí nghiệp ở Việt Nam, biến tần còn được ứng
dụng để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, mục đích làm cho tốc độ truyền

động phù hợp với tốc độ cơ cấu sản xuất.
Mạch lọc tích cực được ứng dụng lọc nhiễu dòng điện, điều khiển bù công
suất phản kháng nâng cao hệ số công suất. Điện lực Việt Nam cũng mong muốn các
nhà máy xí nghiệp có lọc tích cực để ổn định hệ thống nguồn điện cung cấp, cho
nên giá trị tiền điện cũng dựa trên hệ số công suất và phạt những xí nghiệp có tải bất
ổn định (tải phi tuyến).

ng dụng mạch lọc tính cực trên hệ thống điện là việc làm

cần thiết để ổn định hệ thống nguồn điện cung cấp trong giai đoạn hiện nay.
Trên thế giới người ta đã nghiên cứu mạch lọc tích cực rất nhiều và ứng dụng
trên thực tế với nhiều kiểu điều khiển khác nhau: PI, PID, fuzzy logic để điều khiển
mạch nghịch lưu, mạch ngịch lưu cũng có nhiều dạng khác nhau: nghịch lưu hai
bậc, ba bậc, đa bậc… với nhiều dạng thuật toán điều khiển khác nhau.
Mạch lọc tích cực trong bài luận văn này được điều khiển PI, nhưng dò tìm
thông số bằng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO, ngoài ra còn có thuật toán di truyền
GA.

đây dùng thuật toán PSO để tìm thông số tối ưu cho khâu điều khiển PI.
Các nghiên c u 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” của Bùi Quốc Khánh- Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội và Nguyễn Kim Ánh- Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Bài
này đã được đăng lên tạp chí khoa học và công nghệ, đại học Đà Nẵng- số

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 2

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

4(33).2009. Bài báo này cũng đưa thuật toán điều khiển PI đưa lượng Ploss vào điều
khiển mạch nghịch lưu, mô phỏng lò nấu thép cảm ứng kết hợp với mạch lọc AF.
“ ng dụng logic mờ điểu khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài dòng
điện” của Phan Văn Hiền- Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng và Huỳnh
Ngọc Thuận- HV cao học khóa 2008-2011, bài báo này đã được đăng lên tạp chí
khoa học và công nghệ, đại học Đà Nẵng- số 1(42).2011. Đây là bài báo nói về
mạch điều khiển dùng logic mờ để điều khiển mạch lọc.
Tạp chí IEE Proceedings Electric Power Applications đã đăng bài báo nghiên
cứu của TS. Nguyễn Văn Nhờ và Myung Joong Youn năm 2006, bài báo này đã
đưa ra lý thuyết SVPWM và CPWM.
Các nghiên c u ngoƠi nước:
Suresh Mikkili, Anup Kumar Panda “Instantanneous Active and Reactive
Power and Current Strategies for Current Harmonics Cancellation in 3-ph 4-Wire
SHAF with Both PI and Fuzzy Controllers” Energy and Power Engineering, 2011,
3, 285-298. Bài báo này đã đưa hai phương pháp điều khiển mạch lọc bằng PI và
Fuzzy logic cho mạch 3 pha 4 dây
M. Suresh, A. K. Panda and Y. Suresh, “Fuzzy Controller Based 3Phase 4Wire Shunt Activer Filter for Mitigation of Curent Harmonics with Combined p-q
and id -iq Control Strategies”. Joyrnal of Energy and Power Engineering, Vol.3, No.

1, 2011, pp. 43-52. Bài báo này đưa ra phương pháp điều khiển mạch lọc 3 pha 4
dây bằng phương pháp Fuzzy logic

Z. Peng, et al., “Harmonic and Reactive Power Compensation Based on the

Generalized Instantaneous Reactive Power Theory for Three-Phase Four-Wire
Systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, No. 5, 1998, pp.
1174-1181. Doi:10.1109/63.728344. Bài báo này nói về hài trong mạch 3 pha 4 dây
và điều khiển theo công suất Ploos
V. Soares, et al., “Active Power Filter Control Circuit Based on the
Instantaneous Active and Reactive Current id -iq Method,” IEEE Power Electronics

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 3

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Specialists Conference, Vol.2, 1997, pp. 1096-1101. Bài báo này nói về điều khiển
theo hai dạng công suất và dòng điện
1.2 Tính cấp thi t của đ tƠi, ý nghĩa khoa h c vƠ th c ti n
Tính cấp thi t của đ tƠi:
Ngày nay vấn đề lọc nhiễu đang được quan tâm rất nhiều trong các nhà máy xí
nghiệp, mục đích để làm giảm sóng hài dòng trong hệ thống nguồn điện cung cấp.
Việc làm này có ý nghĩa nâng cao chất lượng điện năng nguồn cung cấp, nâng cao
hệ số công suất nguồn và làm giảm giá thành tiền điện, góp phần cho các thiết bị
điện và điện tử có độ nhạy cao tác động chính xác hơn và dứt khoát.
ụ nghĩa khoa h c vƠ th c ti n:
Bài luận văn này trình bày việc làm giảm sóng hài bằng mạch lọc tích cực
song song điều khiển bằng phương pháp PI, tối ưu hóa thông số Kp và Ki bằng giải

thuật toán bầy đàn PSO. Kết quả được mô phỏng bằng Matlab Simulink.
1.3 M c đích nghiên c u, khách th vƠ đ i tư ng nghiên c u
M c đích nghiên c u: là thiết kế mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây có thể ứng
dụng vào trong thực tế hệ thống điện 3 pha 4 dây với các loại tải phi tuyến gây ra
sóng hài dòng điện. Mục đích chính là triệt tiêu sóng hài do tải phi tuyến gây ra, để
cuối cùng tín hiệu dòng diện nguồn ở dạng sin chuẩn, tải phi tuyến không làm méo
dạng dòng điện nguồn.
Khách th : là điều khiển mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây gồm có 8 IGBT, điều
khiển sao cho mạch nghịch lưu phát sóng hài ngược pha với với sóng hài tải nhằm
triệt tiêu sóng hài trên lưới điện nguồn
Đ i tư ng nghiên c u: là nguồn điện, tải, mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây,
dùng phương pháp PI để điều khiển và tối ưu thông số Kp và Ki bằng giải thuật bầy
đàn PSO.
1.4 Nhi m v nghiên c u vƠ giới h n của đ tƠi
Nhi m v nghiên c u:
Nghiên cứu thuật toán và thiết kế tính toán.
Xây dựng mô hình mô phỏng .
Đánh giá kết quả bằng Matlab Simulink

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 4

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Giới h n đ tƠi:
Thời gian nghiên cứu có hạn nên chỉ tập trung nghiên cứu mô phỏng chưa có
mô hình thực tế, tuy nhiên cũng đã thể hiện đầy đủ một mạch lọc tích cực 3 pha 4
dây cho các loại tải phi tuyến.
1.5 Phư ng pháp nghiên c u
Đọc và tham khảo sách giáo khoa điện tử công suất, với sự đóng góp ý kiến
thầy hướng dẫn, xem các bài báo liên quan đến quá trình nghiên cứu đề tài: Chất
lượng điện năng, lý thuyết công suất tức thời, phương pháp điều khiển các bộ biến
đổi công suất, mạch lọc tích cực, Matlab Simulink…
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn PSO thông qua các bài báo, trao đổi kinh
nghiệm với các bạn làm PSO khóa trước, viết thuật toán điều khiển PSO đưa vào
khâu điều khiển PI để điều khiển mạch nghịch lưu.
Tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn để cho ra thuật toán điều khiển mạch
lọc tích cực 3 pha 4 dây, điều khiển mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây bằng phương pháp
điều khiển PI nhưng tối ưu hóa thông số Kp và Ki bằng giải thuật bầy đàn PSO.
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.

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 5

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

Chương II: SÓNG HÀI VÀ MÔ HÌNH TOÁN

2.1 Sóng hài
2.1.1 Các khái niệm về sóng hài
Điện áp được phát ra từ các nhà máy phát điện có dạng hình sin chuẩn, nhưng
do quá trình truyền tải đến nơi tiêu thụ, thiết bị tiêu thụ điện là tải phi tuyến làm
cho dạng sóng nguồn dòng điện bị méo dạng không còn hình sin chuẩn. Đối với
dòng điện khi bị méo dạng là do sóng hài dòng điện gây ra có thể gây quá tải dòng
điện nguồn phát.
Thành phần hài: Sóng hài có dạng hình sin với tần số là bội số của tần số sóng
cơ bản, biên độ sóng hài nhỏ hơn biên độ thành phần cơ bản.

Hình 2.1 Thành phần cơ bản và các sóng hài
Sóng sin chuẩn của Việt Nam có tần số � =50Hz: bậc 1, đây là sóng cơ bản
Hài bậc 3: tần số � = 150Hz.
Tương tự bậc 5, 7, 9…
Bậc hài:
�=

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 6

��
�

(2.1)

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm

Luận Văn Thạc sĩ

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

 Trong đó:
 n là số bậc hài
 �� là tần số hài bậc n

Với bậc hài càng lớn biên độ hài càng giảm
Phổ: Là dãy biên độ của các bậc hài (Hình 2.2)

Hình 2.2 Phổ của sóng hài
Biểu diễn dạng sóng nhiễu: Sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T - seconds và
tần số cơ bản f=1/T Hz, hoặc ω=2πf rad/s, có thể biểu diễn một sóng hài f(t) với
biểu thức sau:
n 

f (t )  H 0   H n 2cos(nt  n )

(2.2)

n 1

 Trong đó:


H 0 là biên độ thành phần DC.



H n là giá trị hiệu dụng của hài bậc n.



 n là góc pha của hài bậc n..

Tỉ số hài và độ méo dạng THD:
 Tỉ số hài là tỉ số biên độ sóng hài bậc n và sóng cơ bản:

In
.
I1

 Độ méo dạng THD là tỉ số giá trị hiêu dụng của tất cả các sóng hài so

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 7

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

với một trị số được xác định dựa vào 1 trong 2 tiêu chuẩn sau:
 Theo tiêu chuẩn IEC 61000-2-2:
n 

THD 

H
n2

2
n

(2.3)

H1

 Theo dạng sóng đo được (0 < THD < 1):
n 

THD 

H
n2

2
n

(2.4)

n 

H
n 1

2
n

2.1.2 nh hưởng của sóng hài
Sóng hài làm tăng dòng điện trong hệ thống, sóng hài bậc 3 làm tăng dòng
điện thứ tự 0, tăng dòng ở trung tính, ngoài việc tăng dòng điện tải, các thành phần
khác trong lưới điện cũng bị ảnh hưởng từ sóng hài. Ngoài việc gây méo dạng điện
áp và dòng điện còn gây ra các tác hại khác, dòng điện hài có tần số hài cao hơn tần
số cơ bản gây ra trở kháng cao và khả năng lan truyền cao hơn dòng cơ bản, gây
phát nhiệt
Hài điện áp có thể gây nhiễu đối với các thiết bị điện tử làm việc không chính
xác, gây ra sai số trong đo lường cảm ứng điện.
Các bộ thu tín hiệu như là những relay sử dụng để điều khiển đóng cắt các
thiết bị của hộ tiêu thụ từ trung tâm điều khiển, có thể tác động nhầm do sóng hài
điện áp có tần số gần với tần số điều khiển.
Lực điện động phát sinh do dòng tức thời của sóng hài sẽ gây ra dao động và
phát ra tiếng ồn đối với các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị điện từ như
MBA, cuộn kháng.
Đối với các thiết bị điện tử viễn thông và các mạch điều khiển điện tử sẽ bị
nhiễu và không ổn định khi các mạch điều khiển này cùng làm việc song hành với
các mạch tải có mang dòng hài. Cấp độ nhiễu tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách
và tần số sóng hài.

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 8

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm

Luận Văn Thạc sĩ

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

Sóng hài gây ra phát nóng của tụ điện do hiện tượng từ trễ trong chất điện môi.
Các bộ tụ sẽ bị hư hỏng do quá tải, do tần số sóng hài vượt quá tần số cơ bản hoặc
do hài điện áp. Sự phát nóng do nhiệt có thể dẫn đến sự già hóa và đánh thủng chất
điện môi.
Đối với máy phát điện khi cung cấp cho tải phi tuyến, dòng điện hài bậc cao
sinh ra sẽ gây tổn hao phát sinh trong stator (tổn hao đồng và tổn hao sắt) và trong
rotor (cuộn cảm, mạch từ) của máy phát gây ra sự sai lệch vận tốc giữa từ trường
quay cảm ứng và rotor. Sóng hài dòng điện gây nên hiện tượng rung động cơ do từ
trường đập mạch phát sinh bởi dòng thứ tự không. Khi tần số của sóng hài trùng với
tần số dao động cơ học của máy điện có thể dẫn đến máy điện bị phá hủy do cộng
hưởng.
Dòng điện hài sẽ gây ra trong MBA do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy
(tổn hao sắt từ). Gây bão hòa mạch từ làm cho MBA bị quá tải.
Tổn thất trên dây dẫn điện do các hiệu ứng bề mặt (gia tăng điện trở cuộn dây
theo tần số) và gây phát nóng quá mức cho phép do trị hiệu dụng dòng điện tăng.
2.1.3 Giới h n và tiêu chuẩn sóng hài
2.1.3.1 Giới h n sóng hài
Trong các nhà máy xí nghiệp lớn chủ yếu là các động cơ điện:
 Đối với động cơ điện đồng bộ dòng điện nhiễu cho phép là từ 1,3%
đến 1,4%.
 Đối với động cơ điện không đồng bộ dòng điện nhiễu cho phép là từ
1,5% đến 3,5%.
 Đối với cáp dẫn điện điện áp nhiễu với lõi cách điện cho phép là từ
10%.
2.1.3.2 Tiêu chuẩn sóng hài
Theo tiêu chuẩn IEEE 519-92 của Mỹ đề ra để đảm bảo chất lượng cho mạng

điện lưới nguồn, phải có trách nhiệm duy trì là:

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 9

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

B ng 2.1 Tiêu chuẩn về sai lệch điện áp IEEE 519-1992
Các cấp điện áp

<69kV

69-161kV

>161kV

Từng loại sóng hài

3,0

1,5

1

Tổng các loại sóng hài

5,0

2,5

1,5

(Theo tiêu chuẩn Việt Nam thì độ biến dạng điện áp đối với cấp điện 110, 220,
500kV thì tổng biến dạng là 3% còn với cấp trung áp là 6,5%)
Theo IEEE 519-1992 thì khách hàng phải có trách nhiệm di trì thành phần
sóng hài dòng điện nằm trong phạm vi cho phép. Tiêu chuẩn đối với mạng điện nhỏ
hơn hoặc bằng 69kV
B ng 2.2 Tiêu chuẩn về sai lệch yêu cầu IEEE 519-1992
ISC/IL

<11

11
17
23
35
THD

<20

4.0

2.0

1.5

0.6

0.3

5.0

20<50

7.0

3.5

2.5

1.0

0.5

8.0

50<100

10.0

4.5

4.0

1.5

0.7

12.0

100<1000

12.0

5.5

5.0

2.0

1.0

15.0

>1000

15.0

7.0

6.0

2.5

1.4

20.0

Trong đó:
 ISC: Dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại điểm nối.

 IL: Dòng điện tải lớn nhất tại tần số cơ bản.

Các hộ sử dụng điện hạn chế thành phần sóng hài nhỏ hơn 5%. Trong đó sóng
hài thứ 11 nhỏ hơn 4%, sóng hài 11-17 nhỏ hơn 2%, sóng hài 17-23 nhỏ hơn 1.5%
Điện lực quốc tế IEC đề ra tiêu chuẩn IEE 100-3-2 “hạn chế sóng hài với thiết
bị nối vào mạng hạ áp” tiêu chuẩn dòng điện nhỏ hơn 16A. Các chỉ tiêu hạn chế
dòng điện sóng hài.

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 10

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

B ng 2.3 Sóng hài bậc lẻ
h
I

ax (A)

3

5

7

9

11

13

15 h 39

2,3

1,14

0,77

0,4

0,3

0,21

0,15x15h

B ng 2.4 Sóng hài bậc chẳn
h
I

ax (A)

2

4

6

8 h 40

1,08

0,43

0,3

0,23x8/h

IEC 1000-3-2 chú ý tới hạn chế các thiết bị có sóng hài dòng điện lớn hơn tiêu
chuẩn trên.
Năm 1995 IEE công bố tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 “hạn chế thành phần sóng
hài dòng điện đối với thiết bị có dòng điện lớn hơn 16A”. Tiêu chuẩn này quy định

trị số hạn chế sóng hài chia theo tình huống và đẳng cấp.
Đối với nhiều thiết bị cùng đặt trong một hệ thống thì nên đưa vào trong một
chỉnh thể. Hệ số sóng hài dòng điện cho theo bảng sau:
B ng 2.5 Hệ số sóng hài dòng điện
h(lẻ)

3

(Ih/I )% 21,6

5

7

9

11

13

15

31

33

10,7

7,2

3,8

3,1

2

0,7

0,7

0,6

Theo tiêu chuẩn Châu Âu IEC 61000-3-2 giới hạn của sóng hài đối với các
thiết bị có dòng điện mỗi pha  16A. Các thiết bị có dòng >16A và  75A được xác
định theo tiêu chuẩn IEC/TS 61000-3-12.
Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 đưa ra các mức hài điện áp tương thích đối với
nhiễu dẫn tần số thấp và tạo tín hiệu trong hệ thống cung cấp điện hạ áp công cộng.
Tiêu chuẩn IEC 61000-2-4 đưa ra các mức hài điện áp tương thích trong khu
công nghiệp đối với nhiễu dẫn tần số thấp.
Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 được trình bày ở Bảng 2.1 và Bảng 2.2, đưa ra các
giới hạn hài dòng điện và hài điện áp trong các hệ thống điện.

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 11

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

B ng 2.6 Các giới hạn độ méo dạng hài dòng điện trong các hệ thống phân
phối (120 V – 69 kV)
Độ méo d ng hài dòng điện lớn nhất (% hài cơ b n)
Tỉ số dòng
ngắn m ch

Các hài bậc lẻ
h < 11

11  h < 17 17  h < 23 23  h < 35 35  h TDD

(ISC/IL)
< 20

4,0

2,0

1,5

0,6

0,3

5,0

20 – 50

7,0

3,5

2,5

1,0

0,5

8,0

50 – 100

10,0

4,5

4,0

1,5

0,7

12,0

100 – 1000

12,0

5,5

5,0

2,0

1,0

15,0

> 1000

15,0

7,0

6,0

2,5

1,4

20,0

B ng 2.7 Các giới hạn độ méo dạng hài điện áp
Cấp điện áp

Độ lớn hài thành phần

THDV (%)

 69 kV

(%)
3,0

5,0

69 – 161 kV

1,5

2,5

 161 kV

1,0

1,5

2.2 Mô hình toán m ch lọc
2.2.1 Sơ đồ m ch lọc
Sơ đồ tổng thể mạch lọc có dạng như hình 2.3 gồm: nguồn điện, tải phi tuyến
và mạch lọc. Mạch lọc được gắn trước tải phi tuyến

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 12

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

Va

Vb

Vc

Nguồn điện
3 pha 4 dây

S1

Tải phi tuyến

S3

S2

S4

A
C
B
C

N
S5

S6

S7

S8

Mạch lọc diện

Hình 2.3 Sơ đồ mạch lọc
2.2.2 Các phép toán biến đổi điều khiển
Dựa trên lý thuyết mạch điện và các phép biến đổi ta xây dựng mô hình toán
học cho mạch lọc tích cực như sau:

HVTH: Ngô Văn Quí

Trang 13

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm


Luận Văn Thạc sĩ

Vα

Va
Vb
Vc

Chương 2: Sóng hài và mô hình toán

P

Vβ
αβ0

LPF

V0
Tính
P
Q
P0

ia
ib
ic

P

+
-

abc

P0

P

Icα
Tính
Dòng
Yêu
cầu

P0

LPF

i0

abc

Icc

Q

iβ
αβ0

Icb

Icβ

iα
abc

Ica

αβ0

i0

Vref

+

Ploss
PI

Vdc
-

Hình 2.4 Mô hình toán học của mạch lọc
Phép biến đổi Clarke cho các điện áp 3 pha tức thời trong hệ trục tọa độ như :
+ Các tín hiệu điện áp tải va, vb, vc và dòng điện tải ia, ib, ic được chuyển sang
hệ trục tọa độ 0 để tính toán. Sau đó chuyển ngược về hệ trục tọa độ abc để trở
thành dòng điện yêu cầu của mạch lọc.
+Các điện áp tải được chuyển trục tọa độ theo biểu thức chuyển đổi Clarke:
v0
2
[v ] = √
v

Từ công thức (2.5) khai triển:

v0 = √

√2

−
√

[

2

√2
2

√2

2

√2

−

2

va +

−
√2

v

2
√

2

√2

v = √ va − v − v
v =√

HVTH: Ngô Văn Quí

2

2 √

2

v −

2

√

2

Trang 14

v

]

va

v
.[ ]
v
v

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm