Đặt vấn đề Hệ thống lưới điện có thể bị gây hại bởi nhiều tác nhân, trong đó một nguy cơ tiềm ẩn làm cản trở hoạt động và làm hao mòn thiết bị nhưng ít người nhận biết được chính là sóng hài - mối nguy cơ tiềm ẩn được phát hiện ngay đầu thập niên 1890. Sóng hài là dòng điện không mong muốn làm quá tải đường dây và biến áp, làm tăng nhiệt độ hệ thống (hoặc thậm chí gây hỏa hoạn) và gây nhiễu lên lưới điện. Trong trường hợp chạy nhiều động cơ cùng lúc, nếu không có biện pháp kiểm soát sóng hài có thể làm quá tải hệ thống điện, tăng công suất nhu cầu (power demand) và làm máy ngừng chạy (do nguồn bị quá tải). Tác hại của sóng hài với lưới điện khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ; làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi.
Các sóng điều hòa bậc cao còn có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS đồng thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ MBA dẫn đến làm tăng tổn thất điện năng. Ngoài ra, sóng hài còn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch. Nguy hại hơn, các sóng điều hòa bậc cao còn có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ; làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng Trang 1 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ đến con người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng. Nếu phải thay thế thiết bị hư hỏng nguyên nhân gây ra do sóng hài, điều này có thể làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% và kinh phí vận hành đến 10%.
Trong ngành công nghiệp, bảo vệ lợi nhuận là ưu tiên hàng đầu, kiểm soát được thiết bị và kinh phí vận hành là nhân tố quan trọng. Muốn đạt được mục tiêu này các doanh nghiệp, tổ chức cần lưu tâm và làm tốt công tác hạn chế tác hại của sóng hài. Việc sử dụng các thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, đã và đang được quan tâm trong những năm gần đây. Một trong các phương pháp lọc sóng hài là sử dụng bộ lọc tích cực.
Điều khiển dòng điện phát ra từ bộ lọc để triệt tiêu dòng điện hài. Do đó người thực hiện chọn đề tài “Mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây”.2 Các công trình nghiên cứu liên quan Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu đi sâu vào nghiên cứu mô hình bộ lọc tích cực như bộ lọc tích cực một pha, bộ lọc tích cực ba pha ba dây, bộ lọc tích cực ba pha bốn dây, các nghiên cứu rất đa dạng, sử dụng các thuật toán điều khiển hiện đại như điều khiển PID, điều khiển trượt, điều khiển logic mờ - nơron…. Mỗi đề tài nghiên cứu đều có đặc điểm riêng tương ứng với các mục đích nghiên cứu và thiết kế, chế tạo. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Kim Ánh [1] nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng điện bậc cao và bù CSPK cho nguồn lò.
Đặc điểm của lò là loại tải công suất lớn, mức độ phi tuyến mạnh và là gánh nặng cho nguồn cung cấp về công suất phản kháng (CSPK). Đề tài này đi nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích cực song song (AF) để làm nhiệm vụ triệt tiêu sóng điều hòa dòng điện bậc cao và bù Trang 2 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ CSPK cho nguồn lò, tác giả sử dụng thuật toán thuyết công suất tức thời p – q làm thuật toán điều khiển cho bộ AF. Quá trình tính toán và mô hình hóa bộ lọc trên phần mềm matlab/simulink, tác giả nhận thấy với cấu trúc, phương pháp, thuật toán điều khiển đã lựa chọn cho thấy bộ lọc làm việc rất tốt (về chỉ tiêu chất lượng ổn định tĩnh, tốc độ và chất lượng đáp ứng quá độ), dòng điện sau khi lọc có độ méo dạng đạt được tiêu chuẩn cho phép của IEEE std 519 và IEC 1000-3-4, hệ số công suất PF có giá trị xấp xỉ bằng 1 nghĩa là CSPK đã được bộ lọc bù một lượng đáng kể. Lê Thi Thu Uyên [5] nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhà máy xi măng Tây Ninh có sử dụng các động cơ công suất lớn lên lưới điện, các động cơ công suất lớn có tốc độ thay đổi sinh ra sóng điều hòa bậc cao và làm tổn thất công suất, làm ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ điện khác.
Sóng điều hòa bậc cao sẽ làm méo dạng (THD) dòng điện và điện áp của hệ thống điện, cần phải có biện pháp lọc để trả lại tín hiệu dòng điện và điện áp hình sin cho lưới, nâng cao chất lượng điện của hệ thống. tác giả sử dụng thuật toán điều khiển mờ làm thuật toán điều khiển cho bộ AF. Võ Tuấn [12] nghiên cứu sự ảnh hưởng của lò nấu thép cảm ứng lên nguồn cung cấp và trên cơ sở đó thiết kế bộ lọc tích cực ứng dụng hệ mờ nơron điều khiển bộ lọc tích cực cho lò nấu thép cảm ứng, nhằm giảm sóng hài do lò thải ra để nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện. Quá trình tính toán và mô hình hóa bộ lọc trên phần mềm matlab/simulink, kết quả cho thấy bộ lọc tích cực đã thiết kế làm việc rất tốt, dòng điện sau khi lọc có tổng độ méo dạng THD đạt tiêu chuẩn cho phép của IEEE std 519 và IEC 1000-3-4.
Qua quá tình thiết kế và sử dụng hệ mờ nơron cho thấy phương pháp này rất khả quan. Fei [4] đã nghiên cứu bộ lọc tích cực ba pha điều khiển dòng điện gián tiếp áp dụng phương pháp điều khiển trượt. Trong đề tài này, phương pháp điều khiển trượt mới được thiết kế để thực hiện giám sát dòng điện tham chiếu trong điều khiển dòng gián tiếp. Ưu điểm của việc sử dụng bộ điều khiển trượt mới cho bộ lọc tích cực song Trang 3 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ song với kỹ thuật dòng điện gián tiếp là nó không cần bộ phận phát hiện sóng hài.
Bộ lọc tích cực được thiết kế có hiệu quả triệt tiêu sóng hài tốt và giảm nhỏ sóng hài trong dãi rộng của dòng điện tải của tải phi tuyến khác nhau. Farid Hamoudi [2] đã nghiên cứu bộ lọc tích cực ba pha bốn dây áp dụng phương pháp điều khiển trượt. Mục đích cải thiện dạng sóng dòng điện pha, giảm dòng điện trung tính hiện tại, bù công suất phản kháng trong hệ thống phân phối.3 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu các phương pháp lọc sóng hài do tải phi tuyến sinh ra, các thuật toán điều khiển bộ lọc tích cực. Từ đó, luận văn thiết kế bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây, lọc sóng hài do tải phi tuyến (bộ chỉnh lưu tải RL) gây ra.
Đề xuất thuật toán điều khiển dòng điện trực tiếp cho bộ lọc, có khâu điều khiển trượt, làm giảm lượng sóng hài do tải phi tuyến gây ra trên lưới. Đề tài có so sánh với mô hình của tác giả Juntao Fie [4].4 Giới hạn đề tài Với mục tiêu đề tài đã nêu, luận văn được giới hạn nghiên cứu những thành phần sau đây: Tìm hiểu về các thành phần gây ra sóng hài. Nghiên cứu các phương pháp lọc sóng hài. Tìm hiểu phương pháp điều khiển trượt.
Thiết kế bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây. Mô phỏng và đánh giá kết quả. Trang 4 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, luận văn, bài báo trong và ngoài nước. Tính toán lý thuyết.
Thiết kế mô hình và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink (Matlab 2013B). Đánh giá kết quả, chất lượng hệ thống và hiệu chỉnh.6 Nội dung đề tài Nội dung của đề tài gồm 5 chương: Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các công trình nghiên cứu liên quan, và đề xuất hướng nghiên cứu. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu tổng quan về lý thuyết liên quan đến đề tài: Sóng hài, qui định về sóng hài, các biện pháp lọc sóng hài, phương pháp điều khiển trượt. Chƣơng 3: Xây dựng mô hình mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây trên matlab simulink Xây dựng thuật toán điều khiển của bộ lọc, từ đó thiết kế và xây dựng mô hình trên phần mềm Matlab Simulink.
Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả Chạy mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng. Chƣơng 5: Kết luận. Kết luận, đánh giá điểm đạt được và tồn tại. Đưa ra hướng phát triển.
Trang 5 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sóng hài trong hệ thống điện 2.1 Sóng hài là gì? Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn thì rất tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng không còn sin. Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng điện năng, cần được chú ý khi tổng các dòng điện hài cao hơn mức độ cho phép.1: Dạng sóng sin (a) và dạng sóng hài (b).
Sóng hài là các điện áp hay dòng điện hình sin có tần số là bội số của tần số công nghiệp (tần số cơ bản), do hiện diện của các tải phi tuyến trong lưới điện. Ví dụ dòng điện hài có tần số 250Hz trên lưới điện 50Hz là sóng hài bậc 5. Trang 6 Luan van LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 2.2: Hình ảnh minh họa về sóng hài 2.