Ứng dụng bộ lọc tích cực để giảm sóng hài cho lưới điện nhà máy xi măng tây ninh

1

B

GIÁO D C VÀ ĐÀO T O
Đ I H C ĐÀ N NG

LÊ TH THU UYÊN

NG D NG B L C TÍCH C C Đ
GI M SĨNG HÀI CHO LƯ I ĐI N
NHÀ MÁY XI MĂNG TÂY NINH

Chuyên nghành: T Đ ng Hóa
Mã s :

60.52.60

TĨM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T

Đà N ng - Năm 2012


2

Cơng trình đư c hồn thành t i
Đ I H C ĐÀ N NG

Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. PHAN VĂN HI N

Ph n bi n 1: TS. NGUY N Đ C THÀNH

Ph n bi n 2: TS. NGUY N HỒNG MAI

Lu n văn đư c b o v trư c H i ñ ng ch m lu n văn th c sĩ k
thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012

Có th tìm hi u lu n văn t i:
- Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng;
- Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng.


3

M

Đ U

1. Lý do ch n ñ tài
Hi n nay các nhà máy luy n thép, cán thép và nhà máy xi măng s
d ng các đ ng cơ cơng su t l n có t c đ thay đ i sinh ra sóng đi u hịa
b c cao và làm t n th t cơng su t, dao đ ng đi n áp, gây ti ng n, h s
cơng su t th p, làm nh hư ng ñ n các h tiêu th đi n khác.
Sóng đi u hịa b c cao s làm méo d ng (THD) dòng ñi n và ñi n
áp c a h th ng ñi n, c n ph i có ñ bi n pháp l c đ tr l i tín hi u
dịng ñi n và ñi n áp hình sin cho lư i nâng cao ch t lư ng ñi n c a h
th ng.
2. Đ i tư ng nghiên c u
Đ i Tư ng Nghiên C u là B l c tích c c
3. Phương pháp nghiên c u và k t qu th c hi n ñư c
- Nghiên c u lý thuy t
- Mô ph ng trên matlab/simulink

4. C u trúc c a lu n văn
C u trúc lu n văn g m ph n m ñ u, 3 chương n i dung, ph n k t
lu n và ki n ngh :
M Đ U
Chương 1 - TÌM HI U V

SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG

PHÁP L C SÓNG HÀI
Chương 2 - T NG QUAN V LÝ THUY T ĐI U KHI N M
Chương 3 -

NG D NG B

L C TÍCH C C Đ GI M SĨNG

HÀI CHO LƯ I ĐI N NHÀ MÁY XI MĂNG TÂY NINH
K T LU N VÀ KI N NGH


4

CHƯƠNG 1
TÌM HI U V SĨNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
L C SÓNG HÀI
1.1. Đ T V N Đ
Các bi n pháp l c th đ ng ch có tác d ng h n ch m t s hài b c
cao cho các ph t i có đ c tính phi tuy n tĩnh. Đ i v i các ph t i đ ng
có đ c tuy n phi tuy n t c th i ln bi n đ ng như nhà máy xi măng, lò
h quang… c n ph i s d ng b l c tích c c (AF: Active Filter).

1.2. T NG QUAN V SÓNG HÀI
1.2.1. Gi i thi u chung
M t tham s quan tr ng đ đánh giá sóng đi u hịa là h s méo
d ng THD (Total Harmonic Distortion):
- H s méo d ng dịng đi n:
∞

∑I
n=2

THD =

2
n

I1

Trong đó :
I1

: biên đ thành ph n dịng cơ b n

In :

biên đ thành ph n dịng đi u hịa b c n

(1.2)


5

1.2.2. Các ngu n t o sóng đi u hịa
1.2.2.1. Máy đi n
1.2.2.2. Thi t b đi n t cơng su t
1.2.2.3. Các ñèn huỳnh quang
1.2.2.4. Các thi t b h quang
1.2.3. Nhà máy xi măng Tây Ninh
1.2.3.1. Gi i thi u chung v nhà máy xi măng
Nhà máy Xi măng Tây Ninh có cơng su t 4.000 t n clinker/ngày
tương ñương v i 1,5 tri u t n ximăng/năm.
V i quy trình s n xu t xi măng và clinker khép kín b ng cơng
ngh lị quay hi n ñ i c a Đ c s giúp h n ch gây ô nhi m môi trư ng,
gi m thi u các ch t th i đ c h i.

Hình 1.17. Sơ đ cơng ngh dây chuy n s n xu t xi măng


6

1.2.3.2. Quá trình s n xu t xi măng
1.2.3.3. Gi i thi u v lị quay nung clinker.
Trong q trình s n xu t xi măng ñ i tư ng chính là lị quay nung
clinker.

Hình 1.17. Lị quay nung clinker
Đây là ñ i tư ng phi tuy n, làm nh hư ng ñ n h th ng truy n t i
và phân ph i đi n năng. Trong q trình v n hành nó gây ra m t s v n
đ như bơm ngư c sóng đi u hịa b c cao làm méo d ng sóng dịng đi n,
gây t n th t cho h th ng truy n d n, làm gi m tu i th c a các thi t b
lân c n. Do đó tác gi ch n ñ i tư ng này ñ nghiên c u s tác đ ng c a

nó đ n lư i ñi n.
H th ng cung c p ñi n cho lò quay là h th ng ch nh lưu khơng
đi u khi n, có nhi m v c p ngu n DC cho đ ng cơ chính c a lị quay.
Đ ng cơ chính có s li u như sau:
- Type: 1HQ7453-5ZH40_2ZV1-Z
- Power : 560 kW


7

- Speed: 100-1000r/min
- Voltage: 660V DC
1.2.4. nh hư ng c a sóng đi u hịa b c cao
- Làm tăng phát nóng c a dây d n đi n, thi t b ñi n.
- Gây nh hư ng ñ n ho t ñ ng c a các thi t b b o v (tác ñ ng
sai)
-

nh hư ng ñ n sai s c a các thi t b ño, làm cho k t qu ño b

sai l ch.
- Làm cho t b quá nhi t và có th d n t i phá h y ch t đi n mơi.
- Làm các thi t b s d ng ñi n và ñèn chi u sáng b ch p ch n.
- Gây nh hư ng t i các thi t b vi n thơng
Trên th gi i đưa ra m t s tiêu chu n như IEEE std 519, IEC
1000-4-3 v gi i h n thành ph n sóng đi u hòa b c cao trên lư i.
T i Vi t Nam, ngày 30/7/2010 B Cơng thương cũng đưa ra thơng
tư 32/2010/TT-BCT quy ñ nh v h th ng phân ph i đi n trong đó có
u c u v sóng hài.

8

1.3. CÁC B

L C SĨNG ĐI U HỊA

1.3.1. B l c th đ ng
1.3.2. B l c tích c c
1.3.2.1. Tác d ng c a m ch l c tích c c
1.3.2.2. Các ph m vi công su t c a l c tích c c
1.3.2.3. Phân lo i m ch l c tích c c
a. Phân lo i theo b bi n đ i cơng su t
b. Phân lo i theo sơ đ :
- M ch l c tích c c song song (AF)

Hình 1.37. C u hình b l c tích c c song song (AF)

- M ch l c tích c c n i ti p (AFs)


9

Hình 1.39. C u hình b l c tích c c n i ti p (AFs)
c. Phân lo i theo ngu n c p
1.3.3. B l c h n h p
1.4. K T LU N CHƯƠNG 1
Ta th y sóng đi u hịa b c cao có nh ng tác h i l n cho h th ng
ñi n, làm gi m ch t lư ng ñi n, gây ra các t n th t…Như v y ñ c i
thi n ch t lư ng đi n năng thì c n ph i l c các thành ph n dòng đi u hịa

b c cao. Có nhi u thi t b khác nhau có th th c hi n l c dịng đi u hịa
b c cao. Tùy thu c vào yêu c u kinh t k thu t mà l a ch n thi t b và
phương pháp phù h p.


10

CHƯƠNG 2
T NG QUAN V LÝ THUY T ĐI U KHI N M
2.1. L CH S

PHÁT TRI N [5]

2.2. ĐI U KHI N M
2.2.1. Sơ ñ kh i c a h ñi u khi n m
Đ u vào
x
Kh i m hóa
(Fuzzifiers)

H p thành
(Inference Mechanism)

Gi i m
(Defuzzifiers)

Lu t m
(Rule-base)

Hình 2.1. Sơ ñ kh i b ñi u khi n m

2.2.1.1. Kh i m hoá
2.2.1.2. Kh i h p thành (Inference Mechanism)
2.2.1.3. Kh i lu t m (Rule-base)
2.2.1.4. Kh i gi i m (Defuzzifier)
2.2.2. Phân lo i ñi u khi n m
2.2.3. C u trúc cơ b n c a b ñi u khi n m
2.3. ĐI U KHI N M

NÂNG CAO

2.3.1. H đi u khi n thích nghi m
2.3.2. H đi u khi n m lai PID
2.4. K T LU N CHƯƠNG 2

Đ u ra
y


11

Vi c áp d ng lơ-gic m đã cho t o ra các b ñi u khi n m , m
lai, ... v i nh ng tính ch t khá t t nh m ñáp ng yêu c u trong ñi u
khi n t ñ ng, ví d ñi u khi n các ñ i tư ng ph c t p. Ngồi ra, các b
đi u khi n m cho phép l p l i các tính ch t c a các b ñi u khi n kinh
ñi n. Thi t k b ñi u khi n m cũng r t ña d ng, qua vi c t ch c các
nguyên t c ñi u khi n và ch n t p m cho các bi n ngôn ng cho phép
ngư i ta thi t k các b ñi u khi n m khác nhau.


12

CHƯƠNG 3
NG D NG B

L C TÍCH C C Đ GI M SÓNG HÀI CHO

NHÀ MÁY XI MĂNG TÂY NINH
3.1. NH HƯ NG C A T I LÊN LƯ I ĐI N
K t qu dịng đi n ngu n
DONG DIEN NGUON KHI CHUA MAC BO LOC AF (isa)
400
300
200

Dong dien i

100
0
-100
-200
-300
-400

0

0.05

0.1

0.15

0.2
Thoi gian t

0.25

0.3

Hình 3.7. Dịng đi n ngu n
Phân tích Fourier dịng đi n

Hình 3.8. Phân tích Fourier dịng đi n

0.35


13

Ta th y dịng đi n ngu n khơng cịn d ng hình sin n a mà b méo d ng
ñi r t nhi u so v i d ng chu n do nh hư ng c a thành ph n sóng hài
b c cao. Các sóng hài b c cao ch y u là b c 5, 7, 11, 13, 17, 19 ... Các
thành ph n này gây ra b ch nh lưu. Trong đó các thành ph n b c 5 và
b c 7 chi m t l l n hơn c .
3.2. NGUYÊN LÝ ĐI U KHI N
M t trong các gi i pháp ñ kh hi n tư ng sóng hài là s d ng các
b l c cơng su t tích c c m c song song v i t i. Ch c năng c a các b
l c tích c c này là phát ra m t dịng đi n g i là dịng bù hài ñ kh các
thành ph n hài gây ra do t i. Hình 3.1 là c u trúc h th ng khi m c thêm
b l c tích c c

Ngu n

il

is

es

if

is

T i phi tuy n

il

B l c tích c c

if

Hình 3.9. C u trúc h th ng khi m c thêm b l c tích c c

3.3. XÂY D NG H TH NG ĐI U KHI N AF
3.3.1. Mô hình tốn h c
T sơ đ ngun lý như hình 3.10 ta có các cơng th c sau:
i fa = ila − isa ; i fb = ilb − isb ; i fc = ilc − isc

(3.1)


14

di f
dt

= v f − vs

(3.2)

v i v f = γ .E

L

(3.3)

γ là h s chuy n ñ i nh n giá tr +1 ho c -1 tương ng v i hai m c ra c a b

ngh ch lưu là +E ho c –E.
i fa  1 / L 0
0  v fa − vsa 
d   


i fb  =  0 1 / L 0 .v fb − vsb 
dt  
 0
0 1 / L   v fc − vsc 


i fc  

(3.4)

isa  − Rs / Ls
d   
isb =
0
dt   
isc   0
  

(3.5)

 isa 
esa − vsa 
.i  + 1 e − v 
0   sb 
sb
sb 
Ls 
 esc − vsc 
− Rs / Ls  isc 
 



0

0

− Rs / Ls

0

3.3.2. C u trúc ñi u khi n AF
Theo tài li u [9] đ đi u khi n AF phát ra dịng ñi n hài bám theo dòng
ñi n hài trên t i ta th c hi n theo c u trúc như hình 3.3
~

is

v

T i phi
tuy n

il

if
+
L
vf

LPF
Khi n
ngh ch
lưu

B
PW
A
đi

6
M
+
u
Hình 3.11. C u trúc ñi u khi n AF

iref
LPF

3.3.3. Xác ñ nh dịng đi n bù hài (iref)
Lu n văn s d ng gi i pháp tách dịng đi n hài b ng b l c thông
dãi BPF (Bandpass Filter).


15

Hình 3.12. Gi i pháp xác đ nh dịng đi n bù hài
3.2.4. LPF (Low pass filter)
Đ h n ch nh ng dịng đi n hài có t n s q cao nhưng biên đ khơng
nh hư ng đáng k , ta dùng b x lý LPF là b l c thơng th p (Low pass
filter). Sơ đ m ch ñi n như hình 3.6
i2
i3
i1

v−

Hình 3.14. Sơ ñ m ch ñi n LPF

V y hàm truy n ñ t c a b l c là:

H ( s) =

K
1
=
τs + 1 5,3.10 −5 s + 1

S d ng phương pháp ñi u ch PWM đ di u khi n đóng m các
van IGBT c a b l c.


16

3.4. TÍNH TỐN CÁC THƠNG S

C AB

L C AF [7]

3.4.1. Xác ñ nh giá tr ñi n áp ngu n m t chi u c p cho ngh ch lưu
Giá tr c c ti u c a ñi n áp m t chi u ñư c xác ñ nh:
U dc min > U s 3 2 = 2,45U s = U d 0

Thơng thư ng ch n đi n áp m t chi u

giá tr :

Udc = (1,2 ÷ 1,3)Ud0
Ta tính đư c đi n áp ngu n m t chi u c p cho ngh ch lưu:
Udc = 1,3Ud0 = 1,3.2,45.220

≈

700 (V)

3.4.2. Xác ñ nh giá tr ñi n c m L
L=

Trong đó:

V f − Vs E − Vs
=
4ξf t
4ξf t

+
+

Vs

Vf

là ñi n áp ñ u ra c a ngh ch lưu

là ñi n áp ngu n

+ ξ là biên ñ c a xung tam giác
+

ft

là t n s c a xung tam giác

Ch n ξ = 10; ft =10kHz, ta ñươc:

L=

E − Vs
700 − 220
=
= 1,2.10 − 3
4ξf t
4.10.10000

3.4.3. Tính ch n giá tr t đi n C
V y giá tr ñi n dung C là:
C=

S
1
47605,8
1
.
=
.
= 3,09.10 − 3 ( F )
E.∆U 2πω1
700.35 2.2π .50

17

3.4.4. Xác đ nh và l a ch n thơng s van ñi u khi n
3.5. THI T K B

ĐI U KHI N PID

Xây d ng hàm truy n ñ t ñ i tư ng
D a vào c u trúc h th ng ñi u khi n và hàm truy n đ t các kh i
như đã phân tích

trên ta xây d ng sơ ñ kh i c a h th ng đi u khi n

PID như hình 3.15
Vs(s)

-

Iref(s)

Gc(s)

+

Ks

-

K
τs + 1

+

1
Ls

If(s)

Hình 3.15. H th ng đi u khi n PID
Xem khâu ñi u khi n ngh ch lưu là khâu gi vai trị c a m t khâu
truy n đ t 1/1, nghĩa là ñ i lư ng ñ u ra ñ m b o trung thành v i ñ u
vào c v module, t n s và pha, do đó Ks=1 và vì L bé nên coi Vs=0,
khi đó hàm truy n ñ t ñ i tư ng là:
G (s) =

K s .K
K
=
(τs + 1) Ls Ls (τs + 1)

Đ i tư ng là khâu tích phân –quán tính b c nh t. Do đó b đi u
khi n t i ưu ñ i x ng s là b PI:
Gc ( s ) = K P (1 +

Trong đó :

+ TI = aτ

1
)

TI s


18

+

KP =

L
Kτ a

Xác ñ nh 4>a>1 t ñ quá ñi u ch nh σmax c n có c a h kín, ho c
ch n a>1 t yêu c u ch t lư ng ñ ra, a càng l n, ñ q đi u ch nh càng
nh , a≥4: h khơng có dao đ ng, a ≤1: h kín khơng n ñ nh. Ch n vùng
làm vi c

t n s trung bình và cao a=3 và các thơng s : K=1 ;

L=1,2.10-3 (H); τ

= 0.00077 (s).

Hàm truy n ñ t ñ i tư ng :
G (s) =

1
K
=
−3

Ls (τs + 1) 1.210 s (5,3.10 −5 s + 1)

Suy ra :
TI = a.τ = 0.0023
KP =

L
Kτ a

= 0.8998

V y b ñi u khi n PI là:
Gc ( s ) = K P (1 +

3.6. THI T K B

1
1
) = 0,8998(1 +
)
TI s
0.0023.10 − 4 s

ĐI U KHI N M
vs

iref

-

e
u

+
-

1
τs + 1

+

de
B ñi u khi n m

Hình 3.16. H th ng đi u khi n m

1
Ls

if


19

iref, if, e

t

Hình 3.17. Xây d ng quan h iref và if
B ñi u khi n m c n 2 input và 1 output.

Hai ngõ vào (input) là sai l ch dịng (e) và đ o hàm c a sai l ch (de)
M t ngõ ra (output) là tín hi u đi u khi n u
3.6.1.1. Bi n ngơn ng và mi n giá tr c a nó
Mi n giá tr c a bi n ñ u vào (sai l ch) ñư c ch n là:
e = {-10 10};

(ñơn v tính: A)

e = { NB, NS, ZE, PS, PB}.

Mi n giá tr c a bi n ñ u vào ñ o hàm c a sai l ch de ñư c ch n là:
de = {-50 50}
de = { N, Z, P}.

(đơn v tính: A/s)


20

Mi n giá tr c a bi n ñ u ra u
u = {-50 , 50}
u = { NB, NS, ZE, PS, PB }.

* Lưu ý : Mi n giá tr c a ba bi n ngơn ng trên có th thay ñ i cho phù
h p v i ñi u ki n th c t . Các mi n giá tr c a ba bi n ngôn ng trên ch
là giá tr ph ng đốn, khơng ph i là giá tr chính xác.
3.6.1.2. Xác đ nh hàm liên thu c (membership function).
3.6.1.3. Xây d ng các lu t ñi u khi n
B ng lu t ñi u khi n
e

NB

NS

ZE

PS

PB

N

NB

NB

ZE

PS

PS

Z

NB

NS

ZE

PS

PB

P

NS

NS

ZE

PB

PB

de


21

Các lu t ñi u khi n ñư c thi t l p d a trên m nh ñ h p thành v i hai
ñi u ki n và m t k t lu n.

Hình 3.19 Lu t đi u khi n xây d ng b ng MATLAB
3.6.1.4. Lu t h p thành
Dùng lu t h p thành Max-Min, gi i m theo phương pháp tr ng tâm
3.6.2. K t qu mơ ph ng matlab – simulink
Sơ đ mơ hình h th ng khi có b l c tích c c AF

Hình 3.20. Mơ hình h th ng khi có b l c
AF


22

3.6.2.1 K t qu mô ph ng ng v i b ñi u khi n PID
Khi R=0.5( Ω ), L= 0.1.10 −3 ( H ) , E=100(V)
DONG DIEN NGUON KHI MAC BO LOC AF (isa)
400
300
200

Dong dien i

100
0
-100
-200
-300
-400

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05 0.06
Thoi gian t

0.07

0.08

0.09

0.1

Hình 3.23. Dịng đi n c a ngu n sau khi m c b l c AF

Hình 3.24. Ph dịng đi n c a ngu n sau khi m c b l c AF


23

Khi R=0.5( Ω ), L= 0.001( H ) , E=100(V)
DONG DIEN NGUON KHI MAC BO LOC AF (isa)
400
300
200

Dong dien i

100

0
-100
-200
-300
-400

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05 0.06
Thoi gian t

0.07

0.08

0.09

0.1

Hình 3.27. Dịng đi n c a ngu n sau khi m c b l c AF

Hình 3.28. Ph dịng đi n c a ngu n sau khi m c b l c AF

3.6.2.2 K t qu mô ph ng ng v i b ñi u khi n m
Khi R=0.5( Ω ), L= 0.1.10 −3 ( H ) , E=100(V)


24

DONG DIEN NGUON KHI MAC BO LOC AF (isa)
400
300
200

Dong dien i

100
0
-100
-200
-300
-400

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05 0.06
Thoi gian t

0.07

0.08

0.09

0.1

Hình 3.31. Dịng đi n c a ngu n sau khi m c b l c AF

Hình 3.32. Ph dịng đi n c a ngu n sau khi m c b l c AF


25

Khi R=0.5( Ω ), L= 0.001( H ) , E=100(V)
DONG DIEN NGUON KHI MAC BO LOC AF (isa)
400
300
200

Dong dien i

100
0
-100
-200

-300
-400

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05 0.06
Thoi gian t

0.07

0.08

0.09

0.1

Hình 3.35. Dịng đi n c a ngu n sau khi m c b l c AF

Hình 3.36. Ph dịng đi n c a ngu n sau khi m c b l c