Điều khiển bộ lọc công suất tích cực dùng bộ điều khiển PR-Repetitive

Bài viết này đề xuất một chiến lược điều khiển để gia tăng vận hành của bộ lọc công suất tích cực (APF). Để giữ cho dòng điện nguồn hình sin, một phương pháp bồi hoàn họa tần hiệu quả được phát triển dựa vào bộ điều khiển cộng hưởng-tỷ lệ và lặp (PR-Repetitive).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển bộ lọc công suất tích cực dùng bộ điều khiển PR-Repetitive Tạp chí Khoa học Công nghệ và Thực phẩm 18 (2) (2019) 144-155 ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC CÔNG SUẤT TÍCH CỰC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PR-REPETITIVE Nguyễn Ngọc Minh Đoàn, Văn Tấn Lượng*, Trần Hoàn Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM *Email: luongvt@hufi.edu.vn Ngày nhận bài: 22/4/2019; Ngày chấp nhận đăng: 07/6/2019 TÓM TẮT Bài báo này đề xuất một chiến lược điều khiển để gia tăng vận hành của bộ lọc công suất tích cực (APF). Để giữ cho dòng điện nguồn hình sin, một phương pháp bồi hoàn họa tần hiệu quả được phát triển dựa vào bộ điều khiển cộng hưởng-tỷ lệ và lặp (PR-Repetitive). Hơn nữa, chi phí để thực hiện APF được đề xuất trở nên thấp hơn, nhờ sử dụng bộ nghịch lưu ba pha bốn khoá. Kết quả mô phỏng bộ APF 1,5 kVA dùng phần mềm PSIM được thực hiện để xác nhận tính khả thi của chiến lược điều khiển được đề xuất. Từ khóa: Bộ lọc công suất tích cực, bồi hoàn họa tần dòng điện, bộ điều khiển cộng hưởng- tỷ lệ và lặp, chất lượng điện năng. 1. MỞ ĐẦU Gần đây, việc sử dụng các tải phi tuyến như động cơ có thể điều chỉnh tốc độ, máy hàn hồ quang điện và bộ nguồn chuyển mạch gây ra một lượng lớn dòng điện họa tần vào hệ thống phân phối. Những dòng điện họa tần này đã làm cho điện áp nguồn bị méo dạng, làm tăng tổn thất điện năng và gia tăng nhiệt trên mạng điện và máy biến áp nên gây ra sự cố của thiết bị điện tử hoạt động. Do những vấn đề này, các tiêu chuẩn hạn chế họa tần như IEEE-519 hoặc IEC 61000-3-2 đã được công bố để đáp ứng yêu cầu các dòng họa tần được bơm vào các mạng điện phải thấp hơn các giá trị định trước [1-2]. Để cải thiện chất lượng điện năng của các mạng phân phối cũng như đáp ứng các tiêu chuẩn hạn chế này, 2 giải pháp chính đã được giới thiệu: bộ lọc thụ động (LC) và bộ lọc tích cực (APF). Các bộ lọc thụ động LC truyền thống được sử dụng để bồi hoàn dòng điện họa tần vì chúng đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, kích cỡ của chúng thường lớn và nặng. Hơn nữa, khả năng bồi hoàn của bộ lọc thụ động thường được cố định và phụ thuộc rất nhiều vào trở kháng của mạng, do đó có khả năng gây ra các vấn đề cộng hưởng không mong muốn. Ngược lại, các bộ lọc công suất tích cực có khả năng tạo ra đáp ứng nhanh, linh hoạt để bồi hoàn dòng họa tần mà được tạo ra bởi nhiều loại tải phi tuyến [3-5]. Các phương pháp điều khiển khác nhau đã được áp dụng trong bộ lọc tích cực như điều khiển tích phân-tỷ lệ (PI), điều khiển trễ, điều khiển deadbeat và điều khiển lặp (RC) [6-12]. Do giới hạn của băng thông điều khiển, bộ điều khiển PI không phải là giải pháp phù hợp cho bộ APF vì bộ điều khiển PI phải xử lý dòng điện họa tần với tín hiệu tần số cao. Ngược lại, phương pháp điều khiển deadbeat có thể tạo ra đáp ứng điều khiển nhanh nhưng hiệu quả điều khiển phụ thuộc đáng kể vào mô hình toán học của bộ APF. Mặc dù, bộ điều khiển trễ đơn giản và bền chặt, nhưng bộ điều khiển này cũng có một nhược điểm đó là xuất hiện các vấn đề cộng hưởng không mong muốn với các mạng phân phối. Ngoài ra, để đạt được vận hành dòng điện tốt, dải trễ phải được thiết lập càng nhỏ càng tốt. Điều này dẫn đến sự gia tăng đáng kể tần số đóng cắt và do đó gây ra tổn thất đóng cắt cao hơn trên APF. 144 Điều khiển bộ lọc công suất tích cực dùng bộ điều khiển PR-Repetitive Trong bài báo này, một chiến lược điều khiển bồi hoàn dòng điện dựa vào bộ điều khiển PR-Repetitive được thực hiện trong hệ tọa độ đứng yên (stationary reference frame) được đề xuất để nâng cao vận hành của APF. Với bộ điều khiển PR-Repetitive đề xuất, dòng điện họa tần được tạo ra bởi tải phi tuyến có thể được bồi hoàn tương đối chính xác. Ngoài ra, tổng chi phí để thực hiện APF được đề xuất thấp hơn, nhờ vào việc sử dụng bộ nghịch lưu ba pha bốn khóa. Hơn nữa, thuật toán điều khiển được đề xuất có khả năng giảm thiểu dòng điện hài cũng như công suất phản kháng để đạt được điều kiện hệ số công suất bằng một ở phía nguồn. Việc mô phỏng đã được thực hiện để xác nhận tính khả thi của chiến lược điều khiển đề xuất. 2. MÔ HÌNH BỘ LỌC TÍCH CỰC Hiện nay, bộ chỉnh lưu ba pha sử dụng diode được sử dụng rộng rãi trong các bộ truyền động trong công nghiệp. Các loại tải này đưa các sóng hài bậc lẻ 6n ± 1 (n = 1, 2, 3…) của tần số cơ bản vào lưới điện. Do các dòng điện họa tần này gây ảnh hưởng nghiêm trọng và làm giảm chất lượng điện năng của hệ thống phân phối điện. Vì vậy, các bộ lọc công suất tích cực được phát triển để bồi hoàn các dòng điện họa tần đó nhằm cải thiện chất lượng điện năng. Bộ lọc công suất tích cực kết nối với hệ thống lưới ba pha được thể hiện trong Hình 1. Về cơ bản, bộ lọc tích cực là một bộ nghịch lưu áp ba pha sử dụng 4 transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT) (thay vì 6 IGBT như truyền thống) được kết nối song song với tải phi tuyến tại một điểm chung thông qua cuộn cảm LF. Ngõ vào của bộ lọc tích cực là một nguồn áp DC ghép với 2 tụ điện có giá trị bằng nhau. Các tải phi tuyến được thể hiện bằng bộ chỉnh lưu áp ba pha kết với ngõ ra được kết nối với tải RLC. Bộ lọc tích cực là một giải pháp linh hoạt bồi hoàn dòng họa tần bởi vì nó có khả năng bồi hoàn các dòng họa tần được tạo ra bởi nhiều loại tải phi tuyến khác nhau cũng như bồi hoàn dòng họa tần nhanh cho tải thay đổi. Mục tiêu của bộ APF là tạo ra dòng họa tần (iF,abc) có độ lớn giống nhau và ngược pha so với dòng họa tần được tạo ra bởi tải phi tuyến, và để đảm bảo rằng dòng điện nguồn (iS,abc) chỉ chứa thành phần cơ bản. Để đáp ứng các yêu cầu này, sơ đồ điều khiển truyền thống đòi hỏi một bộ phát hiện hài và bộ điều khiển dòng điện trong đó cả hai phải được thiết kế hợp lý để đ ...