THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC DÙNG BỘ NGHỊCH LƯU 2 BẬC

i

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này nghiên cứu thiết kế và điều khiển bộ lọc công suất tích cực sử dụng
bộ nghịch lƣu hai bậc, để lọc thành phần hài bậc cao và bù công suất phản kháng trong
lƣới điện có tải phi tuyến. Bộ nghịch lƣu hai bậc đƣợc chọn bởi các ƣu điểm nhƣ hoạt
động tốt ở công suất trung bình và nhỏ. Quá trình đƣợc điều khiển vòng kín sử dụng lý
thuyết công suất tức thời. Kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink và thực
nghiệm cùng card điều khiển TMS320F28335 đƣợc trình bày để minh chứng cho các
nghiên cứu lý thuyết.


ii

ABSTRACT
This thesis concerns the control of an active power filter (APF), based on a twolevel

inverter for harmonic and reactive power compensation in three-wire power

network with nonlinear loads. The two-level topology, suitable for slow/medium power
applications. The control process was conducted in a closed-loop manner adopting the
instantaneous power theory for the active power filter current references injection.
Simulation

using Matlab/Simulink software

and experiment results

using

TMS320F28335 control card are provided to verify the theoretical study.

MỤC LỤC
LỜI CAM KẾT .................................................................. Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN .................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................... i
MỤC LỤC ........................................................................................................................... ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC LƢU ĐỒ, HÌNH ẢNH ...................................................................... vii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ........................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài: ......................................................................................................... 1
1.2. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ............................................................ 1
1.2.1. Ảnh hƣởng của s ng hài và bù c ng suất phản kháng ........................................... 1
1.2.1.1. Ảnh hƣởng của sóng hài..................................................................................... 1
1.2.1.2. Bù công suất phản kháng ................................................................................... 4
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của mạch lọc tích cực (active power Filter – APF) ............. 5


iii

1.2.3. Phân loại mạch lọc tích cực .................................................................................. 6
1.2.4. Phƣơng pháp xác định dòng bù cho mạch lọc tích cực.......................................... 9
1.2.2.3.1. Phƣơng pháp xác định dòng bù trên miền tần số ............................................. 9
1.2.2.3.2. Phƣơng pháp xác định dòng bù trên miền thời gian ........................................ 9
1.3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ................................................................................... 12
1.4. Mục tiêu của đề tài..................................................................................................... 13
Chƣơng 2: BỘ NGHỊCH LƢU 2 BẬC V CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ........ 14
2.1 Giới thiệu chung về bộ nghịch lƣu hai bậc. ................................................................. 15
2.2 Cấu trúc điều khiển mạch lọc tích cực dùng bộ nghịch lƣu hai bậc ............................ 17
2.2.1. Phƣơng pháp vòng hở ......................................................................................... 17
2.2.2. Phƣơng pháp vòng kín ........................................................................................ 18

2.3 . Phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu hai bậc ........................................................ 19
2.3.1. Phƣơng pháp điều chế sóng mang (CBPWM) ..................................................... 20
2.3.2. Phƣơng pháp điều chế vector không gian (SVPWM) ......................................... 22
2.3.2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 22
2.3.2.2. Sơ đồ sắp xếp các vector V0 -> V7 trên trục Va; Vb; Vc ................................. 24


2.3.2.3. Giới thiệu vector V ref ..................................................................................... 26


2.3.2.4. Cách tính toán thời gian để tạo ra vector V ref ................................................. 26


2.3.2.5. Giản đồ đ ng ngắt các kh a để tạo ra Vector V ref trong từng sector ............ 29
2.4. Phƣơng pháp điều khiển dòng ................................................................................... 32
2.4.1. Phƣơng pháp điều khiển dòng hysteresis ............................................................... 32
2.4.2. Phƣơng pháp điều khiển dòng PI ........................................................................... 33
2.4.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PI cơ bản ..................................................................... 33
2.4.2.2. Điều khiển dòng PI cho bộ nghịch lƣu ba pha. ................................................ 33
2.4.3. Phƣơng pháp điều khiển dòng Deadbeat ................................................................ 37
2.4.3.1. Hệ tọa độ dq ..................................................................................................... 37
2.4.3.2 Điều khiển dòng deadbeat. ................................................................................ 38


iv

Chƣơng 3: LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI ....................................................... 40
3.1. Phép biến đổi Clarke.................................................................................................. 41
3.2. Lý thuyết công suất tức thời trong hệ ba pha ba dây ................................................. 44
3.3. Ứng dụng lý thuyết p-q vào bộ lọc tích cực song song. ............................................ 48

Chƣơng 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN .............................. 51
4.1. Thiết kế mô hình ......................................................................................................... 51
4.2. Bộ điều khiển .............................................................................................................. 51
4.3. Mạch công suất ........................................................................................................... 52
4.3.1. Board mạch công suất .......................................................................................... 52
4.3.2. Mạch lái MOSFET .............................................................................................. 52
4.3.3. Mạch công suất nghịch lƣu. ................................................................................. 54
4.4. Mạch cảm biến dòng................................................................................................... 55
4.5. Mạch cảm biến áp ....................................................................................................... 56
4.6. Các phần tử khác trên mô hình ................................................................................... 57
4.6.1. Biến áp nguồn ..................................................................................................... 57
4.6.2. Tải phi tuyến ........................................................................................................ 57
4.6.3. Cuộn kháng lọc dòng nghịch lƣu ......................................................................... 57
4.6.4. Tụ DC ................................................................................................................... 58
4.7. Giải thuật điều khiển hoàn chỉnh ................................................................................ 58
4.7.1. Giải thuật tính dòng cần bù .................................................................................. 58
4.7.2. Giải thuật điều khiển dòng hysteresis .................................................................. 59
Chƣơng 5: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ................................................................ 60
5.1. Mô phỏng .................................................................................................................... 60
5.1.1. Mô phỏng khi bộ lọc chƣa tác động ................................................................... 63
5.1.2. Mô phỏng khi c tác động bộ lọc ......................................................................... 66
5.2. Thực nghiệm ............................................................................................................... 68
Chƣơng 6: ĐÁNH GIÁ V HƢỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................... 70
6.1. Một số kết quả thực nghiệm APF trên thế giới .......................................................... 70


v

6.2. Đánh giá về các kết quả đạt đƣợc ............................................................................... 72
6.3. Hƣớng phát triển ......................................................................................................... 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 74
Phụ lục A: GIỚI THIỆU DSP TMS320F28335 ................................................................ 75
Phụ lục B: CODE ĐIỀU KHIỂN APF .............................................................................. 87
Phụ lục C: TIÊU CHUẨN IEEE std 519........................................................................... 98

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
THD

Total harmonic distortion

IEEE

Institute of electrical and Electronics Engineers

CSPK

Công suất phản kháng

APF

Active power Filter

UPQC

Unified Power Quality Controller

VSI

Bộ nghịch lƣu nguồn áp

CSI

Bộ nghịch lƣu nguồn dòng

DFT

Discrete Fourier Transform

FFT

Fast Fourier Transform

RDFT

Recursive Discrete Fourier Transform

SVPWM

Space vector PWM


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Cấu hình bộ lọc và phù hợp với ứng dụng ........................................................ 14
Bảng 2.1: Thời gian chuyển mạch các kh a bán d n của các sector ................................ 31


vii

DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.01: Thành phần cơ bản và các hài ........................................................................... 1
Hình 1.02: Phổ của sóng hài ................................................................................................ 2
Hình 1.03: Nguyên lý mạch lọc tích cực ......................................................................... …5
Hình 1.04: Các đại lƣợng dòng nguồn, dòng tải và dòng cần bù của mạch lọc .................. 5
Hình 1.05: Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI......................................................................... 6
Hình 1.06: Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI ......................................................................... 6
Hình 1.07: Cấu hình mạch lọc tích cực song song (shunt APF) ......................................... 7
Hình 1.08: Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp ((Series APF) ............................................ 7
Hình 1.09: Cấu hình bộ lọc kết hợp (UPQC ) ................................................................... 8
Hình 1.10 : Cấu hình mạch lọc hổn hợp (hybrid) ................................................................ 9
Hình 1.11: Thuật toán xác định toàn bộ dòng bù trong hệ dq ........................................... 10
Hình 1.12: Thuật toán lựa chọn s ng điều hòa cần bù trong hệ dq ................................. 11
mạch1.13: Hình ảnh mạch lọc tích cực APF 2000 của hãng Delta .................................. 13
Hình 2.01: Bộ nghịch lƣu hai bậc và nguồn điện lƣới AC .............................................. 15
Hình 2.02: Giản đồ vectơ bộ nghịch lƣu ......................................................................... 16
Hình 2.03: (a) Khi IL trùng Us . (b) Khi IL ngƣợc với Us ................................................. 17
Hình 2.04: (a) Cấu trúc điều khiển vòng hở , (b) Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng ................... 18
Hình 2.05: (a) Cấu trúc điều khiển vòng hở , (b) sơ đồ mạch tƣơng đƣơng ..................... 19
Hình 2.06: Tín hiệu sóng mang và s ng điều khiển của phƣơng pháp CBPWM ............. 20
Hình 2.07: Nguyên lý phƣơng pháp điều chế CBPWM .................................................... 21
Hình 2.08: pham vi điều khiển tuyến tính khi khi ma ≤ 1 ................................................ 22
Hình 2.09: Sơ đồ nguyên lý đồ bộ nghịch lƣu 3 pha ......................................................... 23
Hình 2.10: Trạng thái đ ng ngắt các khóa bộ nghịch lƣu ................................................ 24
Hình 2.11: Bộ nghịch lƣu ở trạng thái V1 ......................................................................... 25
Hình 2.12 : V7 & V0 ......................................................................................................... 25


Hình 2.13: Các vector cơ sở và các sector và V ref trên hệ trục α –β .............................. 26

Hình 2.14: Một phần sáu hình lục giác trong phƣ ơng pháp SVPWM ............................. 27
Hình 2.15: Hình mẩu xung chuyển mạch cho mỗi sector ................................................. 30


viii

Hình 2.16: Thời gian chuyển mạch các kh a bán dần của các sector. .............................. 31
Hình 2.17: Điều khiển dòng hysteresis cho bộ nghịch lƣu hai bậc ................................... 32
Hình 2.18. Sơ đồ mô tả điều khiển dòng điện bằng phƣơng pháp hysteresis ................... 32
Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển pi ................................................................ 33
Hình 2.20: Bộ nghịch lƣu ba pha đơn giản hóa ................................................................. 35
Hình 2.21: Sơ đồ bộ điều khiển dòng PI trong hệ tọa độ αβ ............................................. 36
Hình 2.22: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq ............................................... 37
Hình 2.23: Bộ quan sát trạng thái ...................................................................................... 39
Hình 3.01: Vector áp, dòng phức trong hệ tọa độ αβ ........................................................ 43
Hình 3.02: Ý nghĩa vật lý của công suất tức thời thực và ảo ............................................ 47
Hình 3.03: Nguồn ba pha cân bằng và tải phi tuyến cầu diode ......................................... 48
Hình 3.04: Công suất tức thời của hệ thống tải phi tuyến (a) p và (b) q ........................... 48
Hình 3.05: Bộ lọc tích cực song song ................................................................................ 49
Hình 3.06: Tính dòng cần bù dựa theo lý thuyết p-q......................................................... 50
Hình 4.01: Sơ đồ khối thực nghiệm bộ lọc tích cực hoàn chỉnh ....................................... 51
Hình 4.02: Hình ảnh board điều khiển dùng dsp TMS320F28335 ................................... 52
Hình 4.03: Hình ảnh board công suất của bộ lọc tích cực ................................................. 52
Hình 4.04: Mạch lái MOSFET dùng IC IR 2110S ............................................................ 53
Hình 4.05: Hinh ảnh IC IR2110S ...................................................................................... 53
Hình 4.06: Sơ đồ mạch nội IC IR2110S ............................................................................ 54
Hình 4.07: Ký hiệu, Thông số, Hình ảnh của MOSFET IRF640S.................................... 55
Hình 4.08: Mạch cảm biến dòng dùng IC ACS712-5 ....................................................... 55
Hình 4.09: Mạch cảm biến áp dùng IC AMC1200 ........................................................... 56
Hình 4.10: Hình ảnh IC AMC1200 .................................................................................. 56

Hình 4.11: Tải phi tuyến .................................................................................................... 57
Hình 4.12: Cuộn kháng lọc dòng ....................................................................................... 58
Hình 4.13: Giải thuật chi tiết tính dòng cần bù ................................................................. 59
Hình 4.14: Giải thuật điều khiển dòng hysteresis chi tiết ................................................. 60
Hình 5.01: Sơ đồ mô phỏng APF ...................................................................................... 61
Hình 5.02: Sơ đồ mô phỏng khối Nonlinear load.............................................................. 62


ix

Hình 5.03: Sơ đồ mô phỏng khối PQ & I – compensation Calc ....................................... 62
Hình 5.04: Sơ đồ mô phỏng khối Hysteresis controler ..................................................... 63
Hình 5.05: Áp nguồn ba pha khi kh ng lọc...................................................................... 63
Hình 5.06: Dòng nguồn ba pha khi kh ng lọc................................................................... 63
Hình 5.07: Pha a khi kh ng lọc : (a) Áp nguồn; (b) Dòng nguồn; (c) Dòng tải ............... 64
Hình 5.08: Phân tích FFT dòng nguồn khi kh ng lọc, THD = 28.38 % ........................... 64
Hình 5.09: Tỉ lệ của biên độ hài bậc cao so với hài cơ bản In/I1 khi chƣa lọc ................ 65
Hình 5.10: Các đại lƣợng công suất nguồn khi bộ lọc chƣa tác động .............................. 65
Hình 5.11: Áp nguồn ba pha khi đƣợc lọc ....................................................................... 66
Hình 5.12: Dòng nguồn ba pha khi đƣợc lọc ................................................................... 66
Hình 5.13: Pha a khi lọc: (a) Áp nguồn (b) Dòng nguồn (c) Dòng tải (d) Dòng lọc ....... 66
Hình 5.14: Phân tích FFT dòng nguồn khi đƣợc lọc , THD = 2.31% .............................. 67
Hình 5.15: Tỉ lệ của biên độ hài bậc cao so với hài cơ bản In/I1 khi đƣợc lọc ................ 67
Hình 5.16 : Các đại lƣợng công suất nguồn sau khi bộ lọc tác động ................................ 68
Hình 5.17: Dạng s ng pha A khi kh ng lọc . (a) áp nguồn; (b) dòng nguồn .................... 69
Hình 5.18: Dạng s ng pha A khi đƣợc lọc . (a) áp nguồn; (b) dòng nguồn ...................... 69
Hình 6.01: Kết quả của Lucian Asiminoaei [7] ............................................................... 71
Hình 6.02: Kết của của K. Nishida [15] ........................................................................... 71
Hình 6.03: Kết của của Luigi Malesani [16] .................................................................... 72

1

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. Lý do chọn đề tài:
Trên lƣới điện truyền tải hiện nay có rất nhiều phần tử phi tuyến, d n tới làm xuất
hiện các thành phần sóng hài. Các thành phần sóng hài này gây ra nhiều tác hại nghiêm
trọng nhƣ làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hƣởng tới các thiết bị tiêu
dùng điện, làm giảm chất lƣợng điện năng...
Do đ để nâng cao chất lƣợng điện năng thì ta phải giới hạn đƣợc sóng hài trên
lƣới theo các tiêu chuẩn tiêu chuẩn IEEE std 519, việc tuân theo các tiêu chuẩn này là bắt
buộc để đảm bảo chất lƣợng điện năng.
Có nhiều giải pháp khác nhau để hạn chế sóng hài trên lƣới, một trong số đ là sử
dụng bộ lọc tích cực dựa trên các linh kiện bán dẩn . Vì vậy, t i đã lựa chọn đề tài là
“Thiết kế bộ lọc tích cực dùng bộ nghịch lƣu 2 bậc lọc sóng sóng hài bậc cao và bù công
suất phản kháng”.
1.2. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.2.1. Ảnh hưởng của sóng hài và bù công suất phản kháng
1.2.1.1. Ảnh hưởng của sóng hài
Sóng hài có thể coi nhƣ là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số
nguyên của tần số cơ bản.

Hình 1.01: Thành phần cơ bản và các hài


2

Sử dụng chuỗi Furier với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) hay ω=2πf (rad/s)
có thể biểu diễn một sóng hài f (t) với biểu thức sau:






n 1

n 1

n 1

f t   F0   Fn cos(nt   n )  F0   an cos(nt )   bn sin(nt )

Trong đ :
Fn cos(nt   n )  Fn cos(nt ) cos( n )  Fn sin(nt ) sin( n )  an cos(nt )  bn sin(nt )
an  Fn cos( n ); bn  Fn sin( n )

n: bậc hài, với n = 1 là hài cơ bản
F0 : là giá trị DC của hàm sóng hài f(t)
Fn: biên độ đỉnh của s ng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier
θn : là giá trị góc pha của s ng điều hòa bậc n.
Phổ của s ng hài đƣợc thể hiện theo hình (1.02).

Hình 1.02: Phổ của sóng hài
 Hệ số méo dạng tổng do sóng hài (total harmonic distortion - THD):
THD là tham số quan trọng nhất dùng để đánh giá mức độ ảnh hƣởng của sóng hài
lên lƣới điện .


3

Để đáng giá độ méo dòng điện và điện áp ta dựa hệ số méo dạng dòng điện và hệ số
méo dạng điện áp:


Hệ số méo dạng dòng điện.



THD 

 I 
n2

2
n

I 1

Trong đ :
I(1) là biên độ dòng điện thành phần hài cơ bản
I(n) là biên độ dòng điện thành phần hài bậc n



Hệ số méo dạng điện áp.


THD 

U  
n2

2
n

U 1

Trong đ :
U(1) là biên độ điện áp thành phần hài cơ bản
U(n) là biên độ điện áp thành phần hài bậc n
 Các nguồn tạo sóng hài .
Sóng hài đƣợc tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến, một số nguồn tạo sóng hài
phổ biến trong công nghiệp:
 Máy biến áp
 Động cơ điện
 Thiết bị điện tử công suất
 Đèn huỳnh quang
 Các thiết bị hồ quang
Sự tồn tại sóng hài gây ra quá áp, méo điện áp lƣới làm giảm chất lƣợng điện
năng. Chúng gây ra tăng nhiệt trong các thiết bị giảm cách điện, làm tăng tổn hao điện
năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị và trong nhiều trƣờng hợp gây hỏng thiết bị.


4

1.2.1.2. Bù công suất phản kháng
C ng suất truyền từ nguồn đến tải lu n tồn tại 2 thành phần : Công suất tác
dụng và công suất phản kháng.
C ng suất tác dụng P đặc trƣng cho khả năng sinh ra c ng hữu ích của thiết bị,

đơn vị W hoặc kW.
C ng suất phản kháng Q kh ng sinh ra c ng hữu ích nhƣng n lại cần thiết cho
quá trình biến đổi năng lƣợng, đơn vị VAR hoặc kVAR.
Công suất tổng hợp cho 2 loại c ng suất trên đƣợc gọi là công suất biểu kiến S,
đơn vị VA hoặc KVA :
S  PQ

Trong đ : P = Scosφ ; Q = Ssinφ
Ta c hệ số c ng suất:

PF 

P
S

Xét trên phƣơng diện nguồn cung cấp, ta thấy cùng một dung lƣợng máy biến áp
hoặc c ng suất của máy phát điện . Hệ số c ng suất càng cao thì thành phần c ng suất tác
dụng càng cao và máy sẽ sinh ra đƣợc nhiều c ng hữu ích. Do đ để nậng cao hệ số c ng
suất, ta cần giảm tối đa c ng suất phản kháng nguồn cung cấp.
Nếu xét ở phƣơng diện đƣờng dây truyền tải ta lại quan tâm đến sự sụt áp trên
đƣờng dây ở những nơi xa nguồn cung cấp, ta c c ng thức:
U 

PR  QX PR QX


U
U
U

Ta thấy rằng phần tổn hao điện áp do 2 thành phần tạo ra. Thành phần do c ng
suất tác dụng thì ta kh ng thể giảm, nhƣng thành phần do c ng suất phản kháng thì ta
hoàn toàn c thể giảm đƣợc.
Để tải hoạt động tốt thì c ng suất tác dụng và c ng suất phản kháng cần phải đáp
ứng đủ. Vì vậy để tránh truyền tải một lƣợng công suất phản kháng lớn mà tải vẩn hoạt
động tốt, ngƣời ta đặt gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh công suất phản kháng để cung
cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện nhƣ vậy gọi là bù công suất phản kháng(CSPK).


5

1.2.2. Ngu n ý ho t đ ng của

ch lọc tích cực (active power Filter – APF)

Mạch lọc tích cực đƣợc giới thiệu lần đầu tiên năm 1976 bởi L. Gyugyi và E.C.
Strycula. Ngày nay, mạch lọc tích cực không còn là một ƣớc muốn mà đã trở thành hiện
thực, rất nhiều dạng mạch lọc tích cực đã đƣợc nghiên cứu và thƣơng mại hóa trên toàn
thế giới.
Nhƣ đã trình bày ở phân trên, khi một tải phi tuyến đƣợc nối với nguồn (một pha
hoặc ba pha), sẽ tạo ra một dòng điện phi tuyến không sin, dòng này kết hợp với trở
kháng nguồn sẽ làm méo dạng áp nguồn, giảm chất lƣợng điện áp.

Hình 1.03: Nguyên lý mạch lọc tích cực

Hình 1.04: Các đại lƣợng dòng nguồn, dòng tải và dòng cần bù của mạch lọc .


6

Tác dụng của mạch lọc tích cực là cung cấp một dòng điện vào hệ thống, mục tiêu
là duy trì dòng nguồn hình sin, triệt tiêu các thành phần sóng hài không mong muốn, bên
cạnh đ , mạch lọc tích cực còn có tác dụng nâng hệ số công suất của mạch ba pha.
1.2.3. Phân lo i m ch lọc tích cực
Có nhiều cấu hình khác nhau cho mạch lọc tích cực, có thể phân loại theo dạng
mạch nghịch lƣu, cấu trúc kết nối, đặc điểm của nguồn hoặc giải thuật điều khiển.
 Phân loại theo cấu trúc mạch nghịch lƣu ta c hai loại mạch lọc tích cực:cấu trúc
VSI (bộ nghịch lƣu nguồn áp) và CSI (bộ nghịch lƣu nguồn dòng).
 Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI: Đặc điểm của cấu trúc VSI là có thể mở
rộng ra cấu trúc đa bậc.

Hình 1.05: Cấu trúc mạch lọc tích cực VSI
 Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI:

Hình 1.06: Cấu trúc mạch lọc tích cực CSI


7

Đặc điểm cấu trúc mạch lọc CSI là có tần số đ ng cắt hạn chế, tổn hao đ ng cắt
lớn, không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc.
 Phân loại theo cấu trúc kết nối: mạch lọc tích cực song song (Shunt APF hoặc
Parallel APF) hoặc kết hợp (unified APF or universal APF), mạch lọc tích cực nối tiếp
(Series APF), ngoài ra còn có cấu hình lai (hybrid) giữa mạch lọc tích cực và mạch lọc
thụ động.
 Mạch lọc tích cực song song (Shunt APF):

Hình 1.07: Cấu hình mạch lọc tích cực song song (shunt APF)
Các phần tử trên sơ đồ: Tải phi tuyến có thể là cầu chỉnh lƣu diode hoặc thyristor.
Dòng đầu vào tải phi tuyến I

LN

bao gồm nhiều thành phần bậc cao. Nếu dòng ra I F của

bộ AF cũng sinh ra các bậc cao nhƣ vậy nhƣng ngƣợc pha thì dòng ở phía lƣới I L sẽ chỉ
còn chứa thành phần sóng sin bậc nhất. Nhƣ vậy đặc điểm của mạch lọc tích cực song
song: bù s ng điều hòa dòng điện, bù CSPK .
 Bộ lọc tích cực nối tiếp ((Series APF) :

Hình 1.08: Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp ((Series APF)


8

Cấu hình mạch lọc tích cực nối tiếp nhƣ hình (1.09). Trên một đƣờng dây nối giữa
2 bus hệ thống c điện áp UL và ULN . Phía bus ULN có thể có một hay nhiều phụ tải phi
tuyến làm cho ULN chứa nhiều thành phần sóng bậc cao. Bộ lọc nối tiếp bao gồm một
chỉnh lƣu tích cực, cung cấp thành phần một chiều cho một bộ nghịch lƣu, đầu ra nghịch
lƣu th ng qua một máy biến áp đƣa ra điện áp UF , mắc nối tiếp giữa hai bus hệ thống. Do
đ c thể hiệu chỉnh giá trị, g c pha cũng nhƣ thành phần song hài của điện áp UF sao
cho ngƣợc pha với các tác động gây nhiễu của điện áp ULN mà các sóng bậc cao sẽ không
ảnh hƣởng đƣợc sang bus hệ thống UL .
 Mạch lọc kết hợp (UPQC ): Khi kết hợp mạch lọc tích cực song song
(Shunt APF ) và mạch lọc tích cực nối tiếp ( Series APF ) ta đƣợc mạch lọc kết hợp UPQC
(Unified Power Quality Conditioner) kết hợp đƣợc cả tính năng của 2 mạch lọc trên.
Trong bộ lọc kết hợp (UPQC), bộ lọc tích cực nối tiếp có chức năng cách ly s ng
hài giữa tải và nguồn, điều chỉnh điện áp, giảm dao động giữ điện áp cân bằng. Bộ lọc
tích cực song song có chức năng lọc s ng điều hòa. Tuy nhiên giá thành đắt và điều
khiển phức tạp.

Hình 1.09 : Cấu hình bộ lọc kết hợp (UPQC )
 Mạch lọc hổn hợp (hybrid) : Thực chất là sự kết hợp của mạch lọc chủ
động và mạch lọc thụ động.


9

Hình 1.10: Cấu hình mạch lọc hổn hợp (hybrid)
Mục đích là giảm chi phí đầu tƣ ban đầu và cải thiện hiệu quả của bộ lọc thụ động.
Bộ lọc thụ động sẽ lọc những s ng điều hòa mà bộ lọc chủ động không lọc đƣợc hoặc lọc
một cách kh khăn. Chính vì thế thông số chỉ tiêu của bộ lọc chủ động sẽ không cần quá
cao qua đ giảm đƣợc chi phí.
1.2.4. Phương pháp xác định dòng bù cho m ch lọc tích cực
1.2.2.3.1. Phương pháp xác định dòng bù trên miền tần số
Phƣơng pháp này dựa trên phân tích Furier. Là phƣơng pháp biến đổi cho các tín
hiệu rời rạc, kết quả của phép phân tích đƣa ra cả biên độ và pha của thành phần sóng
điều hòa mong muốn . Mỗi thành phần điều hòa đƣợc xác định từ đ tổng hợp lại trong
miền thời gian để tạo tín hiệu bù cho bộ điều khiển.Trong lớp phƣơng pháp này c 3
phƣơng pháp chính là:
 Phƣơng pháp DFT (Discrete Fourier Transform).
 Phƣơng pháp FFT (Fast Fourier Transform).
 Phƣơng pháp RDFT (Recursive Discrete Fourier Transform).
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể tác động tới từng thành phần sóng
điều hòa theo ý muốn nhƣng có khối lƣợng tính toán rất lớn.
1.2.2.3.2. Phương pháp xác định dòng bù trên miền thời gian
Phƣơng pháp này c ƣu điểm hơn là khối lƣợng tính toán ít hơn so với phƣơng pháp
dựa trên miền tần số. Theo lớp phƣơng pháp này c 2 số phƣơng pháp chính sau:
 Phương pháp dòng bù dựa trên khung tọa đ dq

10

Theo phƣơng pháp này c thể xác định toàn bộ dòng bù hoặc có thể lựa chọn từng
thành phần s ng điều hòa cần bù.
 Phƣơng pháp xác định toàn bộ dòng bù: Phƣơng pháp này dựa trên khung
tọa độ dq để tách thành phần s ng điều hòa bậc cao ra khỏi thành phần s ng cơ bản.

Hình 1.11: Thuật toán xác định toàn bộ dòng bù trong hệ dq
Phép quay khung tọa độ dq quay với góc quay của tần số cơ bản. Khi đ trong
khung tọa độ dq thành phần dòng với tần số cơ bản coi nhƣ thành phần dòng một chiều
và thành phần s ng điều hòa nhƣ thành phần dòng xoay chiều. Sau đ sử dụng bộ lọc
thông cao tách ra thành phần xoay chiều, thành phần này chính là thành phần của các
s ng điều hòa bậc cao.
 Phƣơng pháp xác định từng thành phần s ng điều hòa cần bù: phƣơng pháp
này dựa trên cơ sở phép quay khung tọa độ. Điểm khác biệt so với phƣơng pháp trên là từ
dòng cần tách ra s ng điều hòa sẽ chuyển sang khung tọa độ dq với góc quay bằng bội số
lần của góc quay thành phần cơ bản, khi đ trong khung tọa độ mới dq thành phần một
chiều tƣơng ứng với thành phần s ng điều hòa cần tách và bằng cách sử dụng bộ lọc
thông thấp ta có thể tách ra đƣợc thành phần một chiều này. Sau đ chuyển sang khung
tọa độ abc sẽ xác định đƣợc thành phần s ng điều hòa tƣơng ứng. Nhƣ vậy bằng phép
quay khung tọa độ với góc quay ứng với mỗi thành phần s ng điều hòa.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là c thể tác động tới từng thành phần sóng điều
hòa bậc cao muốn lọc.


11

Hình 1.12. Thuật toán lựa chọn s ng điều hòa cần bù trong hệ dq
 Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q

Thuyết p-q hay thuyết công suất tức thời đƣợc đƣa ra bởi Akagi vào năm 1983 với
mục đích là để điều khiển mạch lọc tích cực, có thể ứng dụng vào hệ thống ba pha ba dây
hoặc ba pha bốn dây.Nội dung của phƣơng pháp này sẽ đƣợc trình bày rõ ở chƣơng 3.
1.2.3. Ứng dụng của

ch ọc t ch cực trong thực tế.

Mạch lọc tích cực đƣợc sử dụng để cải thiện chất lƣợng điện năng của các mạng điện
hạ áp ,trung áp, cao áp dùng để cung cấp điện cho các khu c ng nghiệp; cho các khu dân
cƣ, bệnh viện … đặc biệt thƣờng đƣợc dùng trong mạng điện cung cấp cho các nhà máy
luyện kim, nhà máy xi mạ tĩnh điện. Đây là nguồn sinh ra rất nhiều s ng hài bậc cao , nếu
ta kh ng sử dụng mạch lọc thì c ng suất của lƣới điện cung cấp sẽ mất ổn định ; Phá hủy
cách điện của máy biến áp, làm cho biến áp nhanh hƣ hỏng.
Có nhiều cách thức khác nhau để thiết kế một bộ lọc tích cực, tùy thuộc vào yêu cầu
kinh tế kỹ thuật mà lựa chọn thiết bị và phƣơng pháp phù hợp.
Trong đề tài này ta nghiên cứu về mạch lọc tích cực với chức năng lọc sóng hài và
bù CSPK dùng thiết bị điện tử công suất.


12

Hình 1.13: Hình ảnh mạch lọc tích cực APF 2000 của hãng Delta
1.2.3. Các bài báo i n quan đến đề tài
-

Bộ lọc tích cực sử dụng bộ nghịch lƣu 2 bậc và kỹ thuật điều khiển dòng PI của

Lucian Asiminoaei [7].
-

Bộ lọc tích cực sử dụng bộ sử dụng bộ nghịch lƣu hai bậc với kỹ thuật điều

khiển hysteresis của Luigi Malesani [16].
1.3. Ph m vi nghiên cứu của đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn trong các vấn
đề sau:
-

Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu áp 2 bậc và các phƣơng

pháp điều khiển dòng để thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lƣu.
-

Nghiên cứu lý thuyết công suất tức thời và ứng dụng vào bộ lọc tích cực song

song, sử dụng nguồn ba pha ba dây với tải phi tuyến là cầu chỉnh lƣu Diode và R,L.
-

Xây dựng mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực trên phần mềm Matlab/Simulink :

Tính dòng bù dùng lý thuyết (p-q ) và điều khiển dòng sử dụng phƣơng pháp hysteresis .
-

Thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm của bộ lọc tích cực: Tính dòng bù dùng

lý thuyết (p-q); sử dụng phƣơng pháp điều khiển dòng hysteresis; mạch nghịch lƣu 2 bậc
dùng kh a đ ng ngắt MOSFET IR640S và bộ điều khiển DSP TMS320F28335 của
Texas Instrument.
-

Đánh giá, so sánh, nhận xét các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đạt đƣợc.


13

1.4. Mục ti u của đề tài
Bộ lọc tích cực phải thực hiện tốt việc lọc dòng và bù công suất phản kháng cho
hệ thống ba pha ba dây:
-

Dòng nguồn đạt dạng gần sin, độ méo hài THD < 5%

-

Hệ số công suất ≈ 1 (áp nguồn và dòng nguồn gần nhƣ cùng pha).

-

Công suất hoạt động < 200 VA.
Bảng 1, là một bảng tổng kết ngắn về cách lựa chọn cấu hình bộ lọc sao cho phù

hợp với từng ứng dụng cụ thể.
Bộ lọc tích cực
Ứng dụng

Active series

Active shunt

Hybrid of

Hybrid of

active series

active series

and passive

and active

shunt

shunt

A.Lọc dòng

**

***

*

B.Bù công suất

***

**

*

phản kháng
C.Cân bằng tải

*

D.Lọc dòng

**

*

trung tính
E.Lọc áp

***

F.Ổn định điện

***

*

**

*

**

*

**

*

áp
G.Cân bằng áp

***

F.Bù méo dạng

**

***

***

*

**

*

J.(A+B)

***

**

*

K.(A+B+C)

**

L.(A+B+C+D)

*

*

áp
I.Bù sụt áp

*


14

M.(E+F)

**

*

N.(E+F+H+I)

**

*

O.(A+E)

**

*

P.(A+B+E+F)

*

**

Q.(F+G)

**

*

R.(B+C)

*

S.(B+C+D)

*

T.(A+B+G)

**

U.(A+C)

*

V.(A+G+G)

*

*

**

Lƣu ý : Lựa chọn có nhiều dấu * hơn là lựa chon tốt hơn.
Bảng 1: Cấu hình bộ lọc và phù hợp với ứng dụng

Chương 2: BỘ NGHỊCH LƯU 2 BẬC VÀ CÁC PHƯ NG PHÁP ĐIỀU KHIỂN


15

2.1 Giới thiệu chung về b nghịch ưu hai bậc.
Bộ nghịch lƣu là thiết bị công suất dùng để chuyển đổi điện áp một chiều thành
điện áp xoay chiều, có rất nhiều cấu hình cho bộ nghịch lƣu, trong đ cấu hình đƣợc sử
dụng thông dụng nhất là bộ nghịch lƣu hai bậc (Hình 2.01).
Ƣu điểm của bộ nghịch lƣu hai bậc là điều khiển đơn giản, phù hợp với rất nhiều
ứng dụng có công suất thấp (dƣới 100KVA) chủ yếu nhƣ các khu dân, cho các tòa nhà
kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền động công suất nhỏ và vừa.
Tuy nhiên bộ nghịch lƣu hai bậc có khuyết điểm là gây ra sóng hài bậc cao, đồng

thời do hạn chế về các giá trị của dòng và áp định mức của linh kiện nên không phù hợp
với các ứng dụng công suất lớn, điện áp cao (trên 10MVA).

Hình 2.01: Bộ nghịch lƣu hai bậc và nguồn điện lƣới AC
Ta có sơ đồ tƣơng đƣơng của một pha nhƣ sau:


16

Trong đ :
L, R là điện trở và điện cảm đƣờng dây
uS là điện áp nguồn
uc là điện áp của bộ biến đổi đƣợc điều khiển từ Vdc
Ta c phƣơng trình .

u S  u1  uC
 u S  Ri L  L

diL
 uC
dt

Điện cảm L nối giữa lƣới và bộ nghịch lƣu đ ng vai trò nhƣ thành phần tích phân
của hệ và một nguồn dòng để tạo đặc tính nâng cho mạch . Điện áp rơi trên cuộn cảm L
là u1 chính là hiệu giữa điện áp nguồn uS và điện áp của bộ nghịch lƣu uC:
u1=uS-uc
Với uS kh ng đổi do là điện áp nguồn, do đ sẽ điều khiển đƣợc u1 th ng qua điều khiển
uC. Từ việc điều khiển đƣợc u1 ta sẽ điều khiển đƣợc dòng điện iL chạy trên đƣờng dây.

Hình 2.02: Giản đồ vectơ bộ nghịch lƣu