Nghiên cứu phương pháp điều khiển mạch lọc tích cực song song 3 pha 4 dây

Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

CH

NG 1

KHÁI NI M V SĨNG HÀI
Ch
sóng hài
hài.

ng 1 nh c l i m t s ki n th c c b n v sóng hài, tác d ng c a
i v i l i n c ng nh
a ra m t s ph ng pháp h n ch sóng

N i dung ch ng 1 g m 4 ph n chính :
1.1 Khái ni m v sóng hài
1.2 nh h ng c a sóng hài
1.3 Ngu n t o sóng hài
1.4 M ch l c tích c c

1


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

1.1 Khái ni m v sóng hài

Chúng ta bi t r ng, các d ng sóng n áp sin
c t o ra t i các nhà
máy
n, tr m
n l n thì r t t t. Tuy nhiên, càng di chuy n v phía ph
i, c bi t là các ph t i phi tuy n thì các d ng sóng càng b méo d ng.
Khi ó d ng sóng khơng cịn sin.

H1.1 A- D ng sóng sin, B- D ng sóng hài

Sóng hài có th coi nh là t ng c a các d ng sóng sin mà t n s c a
nó là b i s nguyên c a t n s c b n.
1.5

f(t)
Fundamental

1

Fifth

0.5
0

Seventh

-0.5
-1
-1.5
0

0.0041

0.0082

0.0123

0.0164

Time Secs

H1.2 Thành ph n c b n và các hài

d ng chu i Fourier v i chu k T - seconds và t n s c b n
f=1/T Hz, or =2 f rad/s, có th bi u di n m t sóng hài f(t) v i bi u th c
sau :
2


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây
∞

f (t ) = C0 + ∑ Cn cos(nωt + θ n )

(1.1)

n =1

i:
C0 là giá tr DC c a hàm sóng hài f(t)
Cn là giá tr nh c a thành ph n hài b c n và θn là giá tr góc pha.
- Ph c a sóng hài

c th hi n theo hình H1.3

1.00
0.90
0.80

Amplitude

0.70

Harmonic spectrum

0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
1

3

5

7

9

11

13 15 17 19
Harmonic Order

21

23

25

27

29

31

H1.3 Ph c a sóng hài

- THD: Tham s quan tr ng nh t dùng
méo d ng (THD).

ánh giá sóng hài là h s

∞

THD =

∑

C2n / C1

(1.2)

2

i C1: Biên
thành ph n c b n
Cn là giá tr nh c a thành ph n hài b c n .

3


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

1.2 nh h ng c a sóng hài.
nh h ng quan tr ng nh t c a sóng hài ó là vi c làm t ng giá tr
hi u d ng c ng nh giá tr nh c a dịng n và n áp, có th th y rõ
qua công th c sau :
T

U RMS =

1

u (t )2 dt = U (1) 1 + THDU2
T ∫0

I RMS =

1
i (t )2 dt = I (1) 1 + THDI2
∫
T0

(1.3)

T

(1.4)

ng th i có th quan sát 1 cách tr c quan qua k t qu sau :

H1.4 Giá tr

nt
§
§
§
§
§
§

nh và RMS theo các thành ph n sóng hài.

Khi giá tr hi u d ng và giá tr biên c a tín hi u n áp hay dịng
ng do sóng hài, s d n n hàng lo t nh ng v n sau :
Làm t ng phát nóng c a các thi t b
n, dây d n n.
nh h ng n
b n cách n c a v t li u, kh n ng mang t i c a
dây d n n.
nh h ng n ho t ng c a các thi t b b o v ( tác ng sai ):
u chì, CB, relay, .... ng th i các thi t b o m nh kWh ghi
nh n sai d li u.
n hao trên cu n dây và lõi thép c a ng c t ng, nh h ng n
mô men trên tr c c a ng c .
Làm các m ch PLL trong
u khi n ho t ng sai.
nh h ng n các thi t b vi n thông.

4


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

1.3 Ngu n t o sóng hài
1.3.1 T i khơng tuy n tính
a. Máy bi n th
Hi n t ng b o hòa m ch t c a máy bi n áp l c có th sinh ra sóng hài.
Hình H1.5 mơ t ngun lý t o sóng hài t hi n t ng b o hoà m ch t .
duy trì i n áp sin, t thơng sin ph i
c t o ra t dòng t magnetizing current. Khi biên

c a
n áp ( và t thông )
l n
r i vào
tr ng h p khơng tuy n tính trong
ng cong B-H, s d n n dòng i n t l n
b méo d ng và ch a sóng hài.

H1.5 Hi n t

ng bão hòa m ch t máy bi n th

D ng sóng và ph c a c a dòng pha a khi máy bi n th ho t
i u ki n qúa n áp 110%.
1.5

1

1

0.8

ng v i

0.5

0.6

A

A

0

0.4
-0.5

0.2

-1
-1.5
0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0
0

100

200

Time

H1.6 Dòng pha a và ph c a nó khi máy bi n th ho t

300

400

500

600

Hz

ng

110%

n áp

nm c

5


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

b.

ng c :
ng t nh v i máy bi n áp, ng c xoay chi u khi ho t ng t o ra
dòng i n hài. N u nh không s d ng máy bi n th
u Delta, m t ng c
ng b 1 pha s sinh ra dòng i n hài b c 3 có gía tr kho ng 10%, và m t ng
ng b 3 pha s sinh ra dịng i n hài b c 3 có gía tr kho ng 30%.
Ví d d ng sóng dịng i n b méo d ng c a máy l nh
H1.7, THD = 6.3%

H1.7 Dịng

n c a máy l nh

Ví d d ng sóng dịng i n c a máy
hình H1.8 , THD =10.5%

H1.8 Dịng

c cho theo hình

n c a máy

u hịa khơng khí

c cho theo

u hồ khơng khí

6

Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

1.3.2 Thi t b
n t công su t
a. B ch nh l u c u 1 pha
Các thi t b i n t th ng
c cung c p ngu n DC qua b ch nh l u
c u 1 pha Diode,
n áp DC ngõ ra b ch nh l u
c san b ng v i t
n C.
Công su t c a các thi t b nh , t vài W n vài kW. H s méo d ng THD c a
dòng i n th ng l n h n 100% .

H1.9 B ch nh l u c u 1 pha Diode

Các thi t b
n gia d ng và công nghi p s d ng b ch nh l u c u 1 pha
Diode thơng d ng là :
§ Các thi t b c a tivi, u ghi video
§ Máy vi tính, máy in
§ Lị vi sóng
§ B
u ch nh t c .
§
èn huynh quang.

§ B UPS nh .
Ví d dòng i n c a b thu tivi – tivi receiver có
méo d ng r t l n
THD =120% nh hình H1.9

H1.10

n áp và dịng

n thi t b thu c a tivi- tivi receiver

7


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

b. B bi n i công su t Six-pulse bridges.
B bi n i công su t 3 pha Six-pulse bridges ( ch nh l u, ngh ch l u)
c áp d ng r t r ng rãi và tr thành thành ph n quan tr ng không th thi u
trong h th ng n. M t s ng d ng quan tr ng c a chúng có th li t kê là :
§ Các b
u khi n t c
ng c DC- AC .
§ Các b l u i n UPS.
§ Các b
u khi n SVC, STACOM, HVDC, ...
Tu theo m c ích s d ng, các van bán d n có th là linh ki n
khi n ( GTO, MOSFET, Thyristor, ...) hay là các linh ki n không

c (diode). Ví d b ch nh l u c u diode 3 pha khơng
u khi n
hình nh hình H1.11 d i ây :

H1.11 B ch nh l u c u 3 pha khơng

c u
u khi n
c có mơ

u khi n

Hình H1.12 bi u di n dòng i n pha a c a b ch nh l u c u 3 pha, d
dàng nh n th y dịng i n có méo d ng r t l n.

H1.12 D ng sóng dòng

n b ch nh l u c u 3 pha

8


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

1.4 M ch l c tích c c
Có nhi u ph ng pháp kh và h n ch các sóng hài nh dùng m ch l c
th
ng (passive filter), s d ng máy bi n th

u Y/∆, .... Nh ng ph ng pháp
s d ng m ch l c tích c c là ph ng pháp hi n i và ang
c áp d ng nhi u
nh t trong lãnh v c kh sóng hài.
1.4.1 Nhi m v m ch l c tích c c
a. Bù cơng su t:
Vi c th c hi n bù công su t ng th i v i ch c n ng l c thì các c u hình
thi t k , có th ch gi i h n m c
công su t nh . Do nhi u thi t b bù tuy có
áp ng ch m h n nh ng giá thành r , ví d bù b ng SVC – óng ng t b ng
thyristor.
b. Bù sóng hài i n áp:
Bù i n áp không
c chú ý nhi u trong h th ng
n vì ngu n th ng
có tr kháng th p và i n áp tiêu th t i
m u dây chung th ng duy trì
trong ph m vi gi i h n c b n i v i các s c tr i h c gi m áp.
V n bù i n áp ch
c xem xét n khi t i nh y c m v i s xu t hi n
sóng hài i n áp trong l i ngu n nh các thi t b b o v h th ng
n,
superconducting magnetic energy storage
c. Bù sóng hài dịng i n:
Bù các thành ph n sóng hài dịng i n có ý ngh a quan tr ng i các t i
công su t nh và v a. Vi c gi m thành ph n sóng hài dịng i n trong l i cịn
có tác d ng gi m
méo d ng n áp l i t i m u dây chung.
1.4.2 Ph m vi công su t c a m ch l c tích c c
a. Các ng d ng ph m vi cơng su t th p:

Các ng d ng có cơng su t nh h n 100kVA, ch y u ph c v các khu
dân c , các tòa nhà kinh doanh, b nh vi n, các h truy n ng cơng su t nh và
v a.
Tính ch t c a các h th ng t i này òi h i h th ng m ch l c tích c c
ng i ph c t p có áp ng ng h c cao, th i gian áp ng nhanh h n nhi u
m ch l c tích c c dãy cơng su t cao h n thay i trong kho ng ch c us n vài
ms.
b. Các ph m vi ng d ng công su t v a:
Ph m vi công su t ho t ng c a các thi t b này n m trong kho ng t
100kVA n 10MVA. Ví d các m ng cung c p
n trung và cao áp và các h
th ng truy n ng n công su t l n m c vào ngu n áp l n.
M c ích chính c a các m ch l c tích c c là kh b ho c h n ch các
sóng hài dịng i n.
T c
áp ng bù l c trong h th ng kho ng hàng ch c ms.
c. Các ph m vi ng d ng công su t r t l n
Dãy công su t r t l n th ng g p trong h th ng truy n t i ho c truy n
ng ng c DC công su t r t l n ho c h th ng truy n t i n DC.
M ch bù l c tích c c cho ph m vi công su t r t l n là r t t n kém vì ịi
h i n vi c s d ng các linh ki n công su t có kh n ng óng ng t dịng i n
v i công su t r t l n.

9


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

i u thu n l i là i v i dãy công su t l n trên 10MVA, l ng sóng hài
b c cao xu t hi n nh nên các u c u i v i nó khơng cịn nghiêm nh t nh
dãy cơng su t nh .
Th i gian áp ng òi h i trong các tr ng h p trên m c hàng ch c
giây,
các h th ng
u khi n relay l a ch n và tác ng m t cách phù
h p.
1.4.3 Phân lo i m ch l c tích c c
Có nhi u cách phân lo i m ch l c tích c c.
a. Phân lo i theo b bi n i công su t .
n c vào c u hình c a b bi n i công su t
c s d ng trong m ch
l c, ta có 2 lo i m ch l c tích c c : VSI - b bi n i ngu n áp và CSI - b bi n
i ngu n dòng.
C u trúc m ch l c tích c c VSI :

H1.13 C u hình VSI

c m c a c u trúc c a c u hình VSI là có th m r ng ra c u trúc a
b c.
C u trúc m ch l c tích c c CSI :

H1.14 C u hình CSI

c m c a c u trúc c a c u hình CSI là t n hao do óng c t linh ki n
cao, không th m r ng ra c u trúc a b c.

10

Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

b. Phân lo i theo
Phân lo i theo s
, ta có m ch l c tích c c song song và m ch l c tích
c c n i ti p.
M ch l c tích c c song song

H1.14 M ch l c tích c c song song

c

m c a m ch l c tích c c song song :
§ Bù sóng hài dịng i n.
§ Bù cơng su t ph n kháng.
§ Bù thành ph n dịng i n khơng cân b ng.

M ch l c tích c c n i ti p

H1.15 M ch l c tích c c n i ti p

c

m c a m ch l c tích c c n i ti p :
§ Bù sóng hài i n áp

11

Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

CH

NG 2

CH L C TÍCH C C SONG SONG
3 PHA – 4 DÂY
Ch ng 2 trình bày nguyên lý ho t ng c a m ch l c song song 3 pha 4
dây, t ó a ra c s
xây d ng s
kh i u khi n m ch l c.
Ch ng 2 g m các n i dung chính :
1. Ngun lý ho t ng
2. Mơ hình tốn h c m ch l c

12


Lu n v n cao h c

1. Nguyên lý ho t

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

ng

Xét mơ hình m ch l c tích c c 3 pha – 4 dây theo hình H2-1

Hình 2-1 Nguyên lý ho t

ng m ch l c song song 3 pha 4 dây.

Ta có 2 gi thi t sau :
§ Ngu n áp lý t ng : v0=va+vb+vc = 0
Do ó : p0=v0.i0 = 0 , thành ph n th t không công su t t i b ng 0.
(Thành ph n này ch khác khơng khi có thêm i u ki n ngu n khơng
i x ng hay khơng sin.)
§ B qua cơng su t t n hao do óng c t c a b ngh ch l u : ploss=0
Công su t cung c p cho t i 3 pha – 4 dây khơng tuy n tính p, q
tích thành :
__

 p L   p L + ~
pL 
=
 q   __
 L   q L + q~L 

c phân

(2.1)

__

Trong ó p L là công su t DC, ~p L là công su t xoay chi u c a t i

Công su t pL , qL này
c cung c p b i m ch l c tích c c -APF nh sau
:
~
 p AF   − p L 
__
=

q  
 AF  − q L − q~L 

(2.2)

__

Thành ph n công su t DC c a t i p L và công su t t n hao c a b ngh ch
u p loss
c cung c p b i ngu n .
__

pSource = - p - p loss

(2.3)

K t lu n :
§ Ngu n ch cung c p cho t i thành ph n công su t DC c a t i và công
su t t n hao c a b ngh ch l u
13

Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

§ M ch l c tích c c có nhi m v cung c p thành ph n công su t AC và
thành ph n công su t ph n kháng q.
2. Mơ hình tốn h c m ch l c
D a trên c s lý lu n ph n 1
m ch l c tích c c nh sau :

trên, ta xây d ng mơ hình i u khi n

Hình 2-2 Nguyên lý

u khi n m ch l c

Các tín hi u ia, ib, ic là các tín hi u dòng i n c a t i, va, vb, vc là tín hi u
i n áp t i.
Các thành ph n dòng i n và i n áp t i
c chuy n sang h to
:

T

ó, ta xác

 v0 
 
vα  =
vβ 

 

1

2
2
. 1
3

0


 i0 
 
iα  =
iβ 
 

1

2
2
. 1
3

 0

1
−1
3

2
2

1
−1
3


2  va 
− 1 .vb 
2  
− 3  vc 
2 

(2.4)


2  ia 
− 1 .ib 
2  
− 3  ic 
2 

(2.5)

1

2

1

2
2
2

nh công su t t i :
 p0  v0
  
 p  = . 0
 q   0


0
vα
− vβ

0   i0 
 
v β .iα 
vα  iβ 

Thành ph n p 0 =0, cho thành ph n p qua m ch l c HPF ta nh n
thành ph n AC là ~p
Dòng i n yêu c u c a m ch l c
c tính tốn :
ic*α 
1 vα
* = 2
2 

icβ  vα + v β v β

Chuy n v h to

− v β   − ~p + p Loss 
.
.
vα  
−q


(2.6)

c

(2.7)

th c :

14


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây
ica* 
*
icb  =
icc* 
 

1
2
.1
3
1

 − i0 
 * 
. icα 
2 − 1 / 2 − 3 / 2  ic*β 
2 1
2 − 1/ 2

0
3/2

Các dòng yêu c u
c so sánh v i dòng h i ti p c a m ch l c, t
nh xung óng c t cho các van bán d n b ngh ch l u.

(2.8)

ó xác

15


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

CH

NG 3

XÂY D NG MƠ HÌNH M CH L C
TÍCH C C SONG SONG 3 PHA 4 DÂY
TRONG SIMULINK /MATLAB
Trong ch ng này, ta s thi t l p mơ hình mơ ph ng h th ng m ch l c
tích c c song song s dùng ph n m m Matlab, ch c n ng simulink. C th g m
các ph n chính sau :
3.1 S
KH I H TH NG M CH L C TÍCH C C SONG SONG 3 PHA
4 DÂY .
3.1.1 Ngu n xoay chi u 3 pha
3.1.2. T i không cân b ng
3.1.3 B ngh ch l u
3.1.4 Các khâu l y tín hi u
3.2 KHÂU T O XUNG CHO B NGH CH L U – PULSE

16


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

3.1

KH I
kh i g m h th ng m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây g m
các khâu chính nh sau :
- Ngu n : H th ng ngu n 3 pha 4 dây cung c p cho t i không cân
b ng.
- T i không cân b ng : T i g m b ch nh l u c u 3 pha u khi n hoàn
toàn i x ng, k t h p v i b ch nh l u c u 1 pha Diode
c n i vào pha a.
- B ngh ch l u 3 pha
c i u khi n theo quy t c kích óng i
ngh ch,
c n i v i h th ng thông qua cu n c m L .
- Ngu n DC c p áp cho b ngh ch l u.
- Khâu t o xung b ngh ch l u – Pulse, t o xung dóng c t cho b ngh ch
l u.
- B
u khi n b ngh ch l u : i u khi n th i m b ngh ch l u tác
ng vào l i thông qua CB 3 pha .
ng th i c ng i u khi n th i
m tác
ng c a xung u khi n óng c t các van ban d n cho b ngh ch l u.
- Các khâu l y tín hi u V- i n áp 3 pha, iL – dòng i n t i 3 pha, ….
dùng ph c v cho m c ích tính tốn dòng i n yêu c u c a b ngh ch l u.
+
v
+
v
-

iS

a

+

i
-

b

+

i
-

c

+

i
-

V

+
v
-

iL

+

i
-

a

+

i
-

b

+

i
-

iSn
N

+

c

iLn

i
-

+

i
-

N

Source
B

C

A

com

Unbalanced Load
CB
c

b

A

B

C

B

C

iFn

A

i
+
-

a

Control

Lf

BO NGHICH LUU
Pulse
g
+

Vdc

A

i
-

+

B

i
-

+

C

i
-

+

-

Vdc

iF

Hình 3-1 Mơ hình h th ng ngu n, t i không cân b ng và m ch l c tích c c.

17


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

3.1.1 Ngu n xoay chi u 3 pha .
Ngu n xoay chi u 3 pha có giá tr hi u d ng pha Vrms =220V, t n s
50Hz, giá tr góc pha c a các pha a,b,c l ch nhau 1200 . Ngồi ra, ngu n có dây
trung tính c p cho t i khơng cân b ng.
Mơ hình ngu n 3 pha và các thành ph n c a nó
c th hi n trên hình
H3-2
a
1
Va

b
2

Vb

c
3

Vc
N
4

Hình H3-2 Ngu n xoay chi u 3 pha và các thành ph n c a nó.

Thơng s cài t cho pha a
c cho theo hình H3-3. Các pha b, c
c
cài t t ng t nh pha a, ch có tham s góc pha – Phase(deg) t ng ng c a
pha b là -1200 và pha c là 1200 .

Hình H3-3 Thơng s cài

t pha a.

18


Lu n v n cao h c

Nghiên c u m ch l c tích c c song song 3 pha 4 dây

BO CHINH LUU
1P

+

i
-

A

+

+

i
+
v
-

B

4

-

N

g

iA
+

+

i
-

A

+

i
-

Id

B
C

+
v
-

BO CHINH LUU
3 PHA

Vd

alpha_deg

Step
+
v
-

AB

Vab
+
v
-

BC

pulses

Vbc
+
v

-

CA

Vca
0
1

Block

a
2

BO TAO XUNG
DONG BO

b
3

c

19