Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp hiện đại, việc sử dụng các thiết bị điện tử công suất như biến tần, bộ chỉnh lưu và các thiết bị chuyển mạch công suất ngày càng phổ biến. Theo ước tính, các tải phi tuyến này tạo ra sóng hài trên lưới điện, làm biến dạng dạng sóng dòng điện và điện áp nguồn cung cấp, từ đó làm giảm chất lượng điện năng. Độ méo sóng hài tổng (THD) của dòng điện nguồn có thể lên đến 26,80% trước khi xử lý, gây ra các hiện tượng quá nhiệt, giảm công suất và nhiễu loạn hệ thống điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây nhằm giảm thiểu sóng hài do tải phi tuyến gây ra, cụ thể là bộ chỉnh lưu tải RL. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm MATLAB-SIMULINK trong môi trường ba pha ba dây, với thời gian thực hiện nghiên cứu trong giai đoạn trước năm 2016 tại Việt Nam. Việc giảm THD dòng điện nguồn từ 26,80% xuống còn 2,30% cho thấy ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất điện năng và tăng tuổi thọ thiết bị điện trong hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Sóng hài trong hệ thống điện: Sóng hài là các thành phần điện áp hoặc dòng điện có tần số là bội số của tần số cơ bản (50Hz), phát sinh do các tải phi tuyến. Sóng hài gây ra hiện tượng quá nhiệt, tổn thất điện năng, méo dạng momen động cơ và ảnh hưởng đến các thiết bị bảo vệ, đo lường.

  • Bộ lọc tích cực (Active Power Filter - APF): Sử dụng thiết bị điện tử công suất để tạo ra sóng hài ngược pha với sóng hài phát sinh, từ đó triệt tiêu sóng hài trong hệ thống. Bộ lọc tích cực có thể là loại nối tiếp hoặc song song, trong đó bộ lọc song song được dùng để triệt tiêu dòng điện hài.

  • Phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC): Là kỹ thuật điều khiển phi tuyến, sử dụng mặt trượt để đảm bảo tín hiệu đầu ra bám sát tín hiệu tham chiếu. Phương pháp này có ưu điểm về độ bền, ổn định và khả năng chịu tải biến đổi lớn, phù hợp với điều khiển bộ lọc tích cực.

Các khái niệm chính bao gồm: THD (Total Harmonic Distortion), bộ lọc thụ động và tích cực, điều khiển dòng điện trực tiếp và gián tiếp, mạch điều khiển hysteresis, và thuật toán điều khiển trượt.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, các luận văn, bài báo trong và ngoài nước liên quan đến bộ lọc tích cực và sóng hài.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế mô hình bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây trên phần mềm MATLAB-SIMULINK (phiên bản 2013B). Thuật toán điều khiển dòng điện trực tiếp được áp dụng kết hợp với bộ điều khiển trượt để tạo tín hiệu xung kích cho các IGBT trong bộ nghịch lưu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình giả định hệ thống ba pha 220/380V, tần số 50Hz, tải phi tuyến RL với THD dòng điện tải khoảng 30%, dòng điện cơ bản 80A. Các thông số cuộn dây và tụ điện của bộ lọc được tính toán dựa trên công suất biểu kiến và yêu cầu kỹ thuật.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu và mô phỏng diễn ra trong khoảng thời gian từ năm 2014 đến 2016, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm độ méo sóng hài dòng điện nguồn: THD của dòng điện nguồn giảm từ 26,80% xuống còn 2,30% sau khi sử dụng bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây với thuật toán điều khiển dòng điện trực tiếp và bộ điều khiển trượt. Đây là mức giảm đáng kể, đảm bảo chất lượng điện năng theo tiêu chuẩn IEEE 519 và quy định của Bộ Công Thương.

  2. Hiệu quả điều khiển trượt: Bộ điều khiển trượt giúp tăng độ ổn định và độ bền của hệ thống, giảm sai số giữa dòng điện tham chiếu và dòng điện thực tế của bộ lọc, đảm bảo tín hiệu PWM chính xác cho các IGBT.

  3. So sánh với mô hình khác: So sánh với mô hình của tác giả Juntao Fie, mô hình đề tài cho thấy hiệu quả lọc sóng hài tốt hơn với THD dòng điện nguồn thấp hơn, minh chứng cho tính ưu việt của thuật toán điều khiển trực tiếp kết hợp điều khiển trượt.

  4. Tính toán và lựa chọn linh kiện: Giá trị cuộn dây và tụ điện được chọn phù hợp với công suất biểu kiến 15.840 VA, đảm bảo bộ lọc hoạt động ổn định ở tần số đóng cắt lên đến 10 kHz và chịu được điện áp lên đến 1400V.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm mạnh THD là do bộ lọc tích cực song song sử dụng kỹ thuật điều khiển dòng điện trực tiếp, tận dụng dòng điện tải làm tín hiệu tham chiếu, giúp dễ dàng tích hợp và phản ứng nhanh với biến đổi tải. Bộ điều khiển trượt cung cấp khả năng điều khiển chính xác, giảm hiện tượng chattering nhờ sử dụng hàm sat thay cho hàm sign truyền thống.

Kết quả mô phỏng được minh họa qua các dạng sóng điện áp và dòng điện trước và sau khi lọc, cùng biểu đồ THD thể hiện sự cải thiện rõ rệt. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng điều khiển gián tiếp hoặc thuật toán mờ, phương pháp này cho thấy ưu điểm về độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao chất lượng điện năng mà còn góp phần giảm tổn thất điện năng, tăng tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí vận hành trong các hệ thống điện công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây trong các hệ thống công nghiệp: Động từ hành động: Áp dụng; Target metric: Giảm THD dòng điện nguồn xuống dưới 3%; Timeline: 6-12 tháng; Chủ thể thực hiện: Các nhà máy, xí nghiệp sử dụng tải phi tuyến.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp thuật toán điều khiển trượt: Động từ hành động: Phát triển; Target metric: Tăng độ ổn định và độ bền của bộ lọc; Timeline: 12 tháng; Chủ thể thực hiện: Các đơn vị nghiên cứu và phát triển thiết bị điện tử công suất.

  3. Tổ chức đào tạo và nâng cao nhận thức về sóng hài và bộ lọc tích cực: Động từ hành động: Đào tạo; Target metric: Nâng cao kiến thức kỹ thuật cho kỹ sư điện; Timeline: 3-6 tháng; Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

  4. Xây dựng quy định và tiêu chuẩn kiểm soát sóng hài trong hệ thống điện: Động từ hành động: Ban hành; Target metric: Giảm thiểu tác hại sóng hài trên lưới điện quốc gia; Timeline: 1-2 năm; Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương và các cơ quan quản lý nhà nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia ngành điện: Nắm bắt kiến thức về sóng hài, bộ lọc tích cực và kỹ thuật điều khiển trượt để thiết kế và vận hành hệ thống điện hiệu quả.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu liên quan đến chất lượng điện năng và điều khiển hệ thống điện.

  3. Các doanh nghiệp sản xuất và vận hành thiết bị điện công nghiệp: Áp dụng giải pháp bộ lọc tích cực để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí bảo trì thiết bị.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về kiểm soát sóng hài trong hệ thống điện quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ lọc tích cực song song là gì và có ưu điểm gì?
    Bộ lọc tích cực song song là thiết bị điện tử công suất tạo ra dòng điện ngược pha với sóng hài tải, giúp triệt tiêu sóng hài trong lưới điện. Ưu điểm là có thể lọc nhiều bậc sóng hài cùng lúc, không ảnh hưởng đến tổng trở hệ thống và cải thiện hệ số công suất.

  2. Tại sao sử dụng điều khiển trượt trong bộ lọc tích cực?
    Điều khiển trượt giúp hệ thống có độ bền cao, ổn định tốt và khả năng chịu tải biến đổi lớn. Nó đảm bảo tín hiệu đầu ra bám sát tham chiếu, giảm sai số và hiện tượng chattering trong điều khiển thiết bị đóng cắt.

  3. Phân biệt kỹ thuật điều khiển dòng điện trực tiếp và gián tiếp?
    Điều khiển gián tiếp tạo dòng điện tham chiếu dựa trên tín hiệu điện áp nguồn và điện áp tụ điện, trong khi điều khiển trực tiếp sử dụng dòng điện tải làm tín hiệu tham chiếu, giúp phản ứng nhanh và dễ tích hợp hơn.

  4. Giá trị THD dòng điện sau khi sử dụng bộ lọc tích cực đạt bao nhiêu?
    Theo kết quả mô phỏng, THD dòng điện nguồn giảm từ 26,80% xuống còn 2,30%, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điện năng và giảm thiểu tác hại sóng hài.

  5. Bộ lọc tích cực có thể áp dụng cho những hệ thống nào?
    Bộ lọc tích cực phù hợp với các hệ thống điện có tải phi tuyến như động cơ biến tần, bộ chỉnh lưu, thiết bị điện tử công suất trong các nhà máy công nghiệp, trung tâm dữ liệu và các hệ thống điện phân phối hiện đại.

Kết luận

  • Bộ lọc tích cực song song ba pha ba dây được thiết kế và mô phỏng thành công trên phần mềm MATLAB-SIMULINK, giảm THD dòng điện nguồn từ 26,80% xuống 2,30%.
  • Thuật toán điều khiển dòng điện trực tiếp kết hợp với bộ điều khiển trượt nâng cao hiệu quả triệt tiêu sóng hài và độ ổn định hệ thống.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy bộ lọc tích cực có khả năng ứng dụng thực tế trong các hệ thống điện công nghiệp có tải phi tuyến.
  • Các linh kiện cuộn dây và tụ điện được tính toán phù hợp với công suất biểu kiến và yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo hoạt động ổn định ở tần số cao.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai, đào tạo và xây dựng tiêu chuẩn nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm thiểu tác hại sóng hài trong hệ thống điện quốc gia.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên tập trung vào phát triển phần mềm điều khiển tích hợp và thử nghiệm thực tế để hoàn thiện giải pháp. Hãy áp dụng ngay các kiến thức và mô hình trong luận văn để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện của bạn!