BÁO cáo đồ án THIẾT kế đề tài thiết kế bộ điều khiển STATCOM bù công suất phản kháng

Một trong những đại lượng đó chính là đại lượng điện áp, theo nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quanđến sự sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội, Tháng 7/2021

Mục lục

1 Bù công suất phản kháng 4

2 Tổng quan về STATCOM 5

2.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM 5

2.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM 5

II THIẾT KẾ MÔ HÌNH STATCOM NỐI LƯỚI 7 1 Mô hình hóa hệ thống 7

2 Xây dựng các mạch vòng điều khiển 9

2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện 9

2.2 Mạch vòng điều khiển điện áp một chiều VDC 13

III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ 15 1 Phương pháp điều chế SPWM 15

IV MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 16 1 Mô hình STATCOM nối lưới 16

1.1 Mô hình tổng quan 16

1.2 Các khối mô phỏng khác 16

1.3 Kết quả mô phỏng 18

2 Mô hình STATCOM gắn trên lưới điện 14 nút 21

2.1 Mô hình tổng quan 21

2.2 Điều kiện bình thường 21

2.3 Sự cố xảy ra trên pha A 24

2.4 Tải thay đổi 27

V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 29 1 Kết luận 29

2 Hướng nghiên cứu phát triển 29

Danh sách hình vẽ

1 Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM 5

2 Nguyên lý bù của bộ bù tích cực 6

3 Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù 6

4 Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù 7

5 Mô hình STATCOM nối lưới 7

6 Biểu diễn vector điện áp và dòng điện trên các hệ trục tọa độ 8

7 Cấu trúc bộ điều khiển STATCOM nối lưới 9

8 Cấu trúc bộ điều khiển trên hệ tọa độ d, q 11

9 Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng trong hệ tọa độ d, q 11

10 Sơ đồ khối vòng kín bộ điều khiển điện áp một chiều trung gian 13

11 Dạng sóng điều chế và tín hiệu điều khiển SinPWM 15

12 Mô hình tổng quan STATCOM nối lưới 16

13 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều chỉnh điện áp Vdc 16

14 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều chỉnh Iq 17

15 Sơ đồ bộ chuyển đổi tọa độ 17

16 Sơ đồ khối phát xung cho bộ nghịch lưu 17

17 Sơ đồ bộ chuyển đổi tọa độ abc sang dq của dòng điện 18

18 Thông số tải ban đầu 18

19 Điện áp một chiều 19

20 Công suất phản kháng của lưới điện, STATCOM và tải 19

21 Công suất tác dụng của lưới điện, STATCOM và tải 20

22 Sơ đồ lưới điện 14 nút có gắn STATCOM 21

23 Sơ đồ lưới điện 14 nút có gắn STATCOM 21

24 Điện áp tải phía sau nút đặt STATCOM 22

25 Điện áp Udvà Uq 22

26 Dòng điện Id và Iq 22

27 Điện áp một chiều Vdc 23

28 Công suất phản kháng của nguồn, STATCOM và tải 23

29 Công suất tác dụng của nguồn, STATCOM và tải 23

30 Khối Three-Phase Programmable Voltage Source 24

31 Điện áp một chiều Vdc 24

32 Hình ảnh phóng to của điện áp Vdc 25

33 Dòng điện Id và Iq 25

34 Điện áp Udvà Uq 25

35 Công suất tác dụng P 26

36 Công suất phản kháng Q 26

37 Điện áp một chiều Vdc 27

38 Điện áp Udvà Uq 27

39 Dòng điện Id và Iq 27

40 Công suất tác dụng P 28

41 Công suất phản kháng Q 28

Danh sách bảng

LỜI NÓI ĐẦU

Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi chế độ, kể cả tình huống sự cố nghiêm trọng nhất, thìphải có thiết bị để điều khiển các đại lượng trong hệ thống điện Một trong những đại lượng đó chính

là đại lượng điện áp, theo nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quanđến sự sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đên sự sụp đổ điện

áp là do không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cho hệ thống điện một cách kịp thời

Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam đã có rất nhiềucông trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên các thiết bị bù

đó chưa đáp ứng những yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhucầu công suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS như: STATCOMhay SVC, UPFC đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối

ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc Đồ án này nghiên cứu về việc thiết kế bộ điều khiểnSTATCOM bù công suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng điện áp, ổn định hệ thống điện.Trong quá trình làm đồ án tuy có những lúc khó khăn nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầyPhạm Việt Phương em đã có thể hoàn thành đồ án đúng thời hạn Tuy nhiên, do thời gian có hạn vàkiến thức còn hạn chế nên đồ án vẫn còn thiếu sót một số phần chưa thể hoàn thành Em rất mong cóđược sự thông cảm của thầy

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Trường

I TỔNG QUAN VỀ STATCOM

Công suất phản kháng là một trong những thành phần chính tạo nên trong hệ thống điện Đây là côngsuất cần thiết để duy trì điện áp ổn định của lưới điện, cung cấp năng lượng và nâng cao hiệu suất hoạtđộng các thiết bị điện có tính cảm kháng Việc bù công suất phản kháng có thể mang lại nhiều lợi íchnhư:

• Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được công suất phản kháng truyền tảitrên đường dây

• Giảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần tổn thất điện áp do côngsuất phản kháng gây ra

• Giảm dự phòng chung của cả hệ thống điện liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư vào cáccông trình nguồn điện

• Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

• Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát có giá thành sảnxuất điện năng thấp

Quản lý công suất phản kháng hiệu quả là một mục tiêu quan trọng để nâng cao hiệu suất truyềntải, tiết kiệm điện Việc bù công suất phản kháng sẽ cải thiện hệ số công suất, điều chỉnh điện áptốt hơn cung cấp cho phụ tải Trong vận hành, người ta mong muốn sử dụng công suất phản khángcủa lưới điện càng ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường Mặt khác, trong quá trìnhtruyền tải điện năng từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ điện sẽ có tổn hao công suất, trong đó có côngsuất phản kháng và làm điện áp tại các điểm cách xa nguồn bị suy giảm đáng kể, để tránh việc tổn thấtcông suất và sự suy giảm điện áp tại các nút thì phương án tối ưu là giảm lượng công suất phản khángđược truyền tải Lượng công suất phản kháng cần thiết để đảm bảo điện áp hoạt động tại các nút sẽđược bổ sung bởi các thiết bị bù công suất phản kháng như máy bù đồng bộ, tụ bù, SVC, STATCOM Trong đó, STATCOM là hộ thống bù đồng bộ tĩnh ứng dụng trong hệ thống lưới phân phối, ở cấp điện

áp trung thế và hạ thế STATCOM là hệ thống bù song song, có tác dụng điều chỉnh công suất phảnkháng tại điểm kết nối, được thực hiện thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha giữa điện áp rơitrên STATCOM và điện áp trên hệ thống điện để dòng đi qua STATCOM có thể chậm hoặc nhanhpha hơn điện áp đầu nguồn Nhờ đó mà chức năng ổn định điện áp, cân bằng phụ tải cho các pha.Các phương pháp bù thụ động như đóng cắt các bộ tụ, lặp đặt các mạch lọc LC không phải là giảipháp mà có thể làm cho các vấn đề trở nên trầm trọng hơn Mặt khác, trong xu thế phát triển các hệthống năng lượng tái tạo có công suất ngày càng lớn Những lý do trên đây giải thích cho xu hướngquan tâm nghiên cứu đặc biệt về STATCOM cho lưới điện trung thế trong những năm gần đây Ưuđiểm của STATCOM là khả năng điều chỉnh tốt, có thể đảm bảo một lượng công suất bò không đổitrong phạm vi rất rộng của điện áp đặt Do đó, STATCOM được biết đến như một thiết bị cải thiệnchất lượng điện áp, không tạo ra các thành phần sóng hài bậc ba lớn như các thiết bị bù khác.[1]

2 Tổng quan về STATCOM

2.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM

STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn điện áp, nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thànhđiện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện Cấu trúc cơ bản được thể hiện tronghình , bao gồm: Một bộ biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) được nối về phía thứ cấp của máy biến

áp ghép; nguồn điện áp DC (Vdc)

2.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM

Việc thay đổi công suất phản kháng được thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy biến

áp VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT hoặc IGCT) để điều chế điện áp xoaychiều ba pha V2 từ nguồn một chiều Nguồn một chiều này được lấy từ tụ điện Nguyên lý hoạt độngcủa STATCOM được chỉ rõ trong hình 4.2, thể hiện công suất tác dụng và phản kháng truyền giữađiện áp hệ thống để điều khiển là V1và điện áp được tạp ra bởi VSC là V2

STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều chỉnh điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị càiđặt (Vre f) thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp rơi giữa STATCOM và hệ thốngđiện

Hình 1: Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM

Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát ra bởi STATCOM V2là cùng pha với V1(δ = 0),

do đó chỉ có công suất phản kháng truyền tải Bằng cách điều khiển điện áp V2tạo ra bởi VSC cùng phavới điện áp V1của hệ thống nhưng có biên độ lớn hơn khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ STATCOMvào hệ thống, lúc này dòng điện Iqhoạt động như một điện dung cung cấp công suất phản kháng đến

hệ thống, qua đó nâng cao điện áp hệ thống lên

Ngược lại nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC có biên độ thấp hơn điện áp V1 của hệ thống điềukhiển dòng phản kháng (Iq) chạy từ hệ thống vào STATCOM, lúc này dòng điện Iqhoạt động như mộtđiện cảm tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống, qua đó hạn chế quá điện áp trên lưới điện.Nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC và điện áp V1 bằng nhau thì không có trao đổi công suất phảnkháng Ta có công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi giữa hai nguồn V1(lưới) và V2(bộbù):

P=V1V2sinδ

XL(V1−V2cosδ ) (2)Trong đó:

• V1và θ1: Điện áp lưới cần điều chỉnh và góc lệch pha

• V2và θ2: Điện áp tạo ra bởi VSC và góc lệch pha

Hình 2: Nguyên lý bù của bộ bù tích cực

• XL: Điện kháng kết nối giữa lưới và bộ bù

• δ : Góc lệch pha giữa điện áp lưới và điện áp bộ bù

Trong chế độ hoạt động chỉ bù công suất phản kháng thì δ = 0 do đó từ (2) ta có:

P= 0 ; Q= V1

XL(V1−V2) (3)

Từ (3) ta thấy Q tỉ lệ với hai điện áp (V1−V2)

• Khi V1= V2thì Q = 0 bộ bù không phát hay hấp thụ công suất phản kháng

• Khi V1> V2 thì Q > 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tương ứng dòng cảm kháng IL chậm sau

V1, V2một góc 90 độ, lưới sẽ truyền công suất phản kháng vào bộ bù (STATCOM hấp thụ côngsuất phản kháng)

Hình 3: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù

• Khi V1< V 2 thì Q < 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tương ứng dòng điện dung IC vượt trước

V1, V2một góc bằng 90 độ (Bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên lưới điện)

Từ phân tích trên ta thấy rằng khi thay đổi biên độ điện áp đầu ra của bộ bù thì trong khi giữ góc lệch

θ = 0 ta có thể điều khiển dòng công suất phản kháng trao đổi giữa lưới và bộ bù.[2]

Hình 4: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù

Hình 5: Mô hình STATCOM nối lưới

Từ sơ đồ trên, sử dụng định luật Kirchhoff 2 cho từng pha ta có:

Biểu diễn vector dòng điện và điện áp trong hệ tọa độ tĩnh αβ và hệ tọa độ quay dq ta được thểhiện như Hình 2:

Hình 6: Biểu diễn vector điện áp và dòng điện trên các hệ trục tọa độ

Sử dụng các phép biến đổi tọa độ abc sang tọa độ tĩnh αβ thông qua phép chuyển vị tọa độCLAKE

Trong đó, i∗là chỉ số phức liên hợp của i Viết lại dưới dạng ma trận như sau:

Hình 7: Cấu trúc bộ điều khiển STATCOM nối lưới

2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện

Ta thấy rằng trong phương trình mạch vòng dòng điện có sự tác động xen kênh giữa 2 nhánh d, q đồngthời có sự tham gia của hai thành phần điện áp lưới là ed và eq Bộ điều khiển PI có cấu trúc như sauđảm bảo khả năng bù xen kênh giữa hai thành phần dòng điện d, q đồng thời khử tác động của ed và

Trong đó, udre f, uqre f lần lượt là lượng đặt cho các thành phần điện áp đầu ra bộ biến đổi Các hệ số

Kp,d, Kp,q, Ki,d, Ki,q lần lượt là các hệ số tỷ lệ và tích phân của các bộ điều chỉnh trục d và q

Cấu trúc của bộ điều khiển bộ biến đổi cho như hình dưới đây Tuy nhiên, do đó cấu trúc điềukhiển dòng, ta đã bù tách kênh đồng thời hai thành phần edvà eq, nói cách khác hai thành phần edvà

eqđược coi là nhiễu và đã được khử theo phương pháp bù xuôi Do đó, mô hình hệ thống thu được sẽgồm hai mô hình nhỏ trên trục tọa độ d, q độc lập nhau [3]

Hình 8: Cấu trúc bộ điều khiển trên hệ tọa độ d, q

Từ sơ đồ trên ta có mạch vòng điều khiển dòng điện như sau:

Hình 9: Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng trong hệ tọa độ d, qTrong đó:

• Tolà thời gian trễ của bộ biến đổi điện tử công suất

• Kmlà hệ số khuếch đại bộ biến đổi điện tử công suất

• KTi là hệ số đo dòng điện

• Kpc, Ticlần lượt là tham số của bộ điều khiển theo luật PI

Chọn Km= KTi= 1 ta có đối tượng điều khiển của mạch vòng dòng điện là:

T = LR

(10)

Trong đó: T là hằng số thời gian của mô hình.

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module cho mạch vòng dòng điện ta được tham số bộ điều khiển như sau:

1

1 + sTo

1R(1 + sT )=

2.2 Mạch vòng điều khiển điện áp một chiều VDC

Kiểm soát được điện áp một chiều trên tụ chính là kiểm soát được quá trình trao đổi công suất tácdụng Bộ điều khiển điện áp một chiều trung gian có nhiệm vụ ổn định tổng giá trị điện áp một chiềutrên các tụ, đầu ra của bộ điều khiển điện áp một chiều là giá trị đặt của dòng điện trên trục d Nhưvậy, để điều khiển điện áp một chiều trung gian, ta phải xác định được hàm truyền giữa dòng điện đặttrên trục d và giá trị điện áp một chiều trung gian Udc Phương trình cân bằng công suất tác dụng củaphía một chiều và xoay chiều như công thức dưới đây:

Hình 10: Sơ đồ khối vòng kín bộ điều khiển điện áp một chiều trung gian

Trong hình 5, Teq là thời gian trễ của mạch vòng dòng điện; Tf là thời gian trễ của quá trình đođiện áp một chiều trung gian trên các tụ, KTi là hệ số đo dòng điện

Chọn KTi= 1 và Tf = 0 và áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng, ta xác định được tham số bộ điềukhiển PI cho như (17) với a là tham số tùy chọn

a

(17)

Từ (6) ta có:

Q=3

2(−udiq+ uqid)Như vậy ta thấy rằng công suất phản kháng Q chỉ phụ thuộc vào thành phần dòng điện iq(Vì thành phần uq≈ 0) Vậy nên muốn điều khiển Q thì ta chỉ cần điều khiển dòng điện iq Trong trường hợpứng dụng để bù công suất phản kháng thì ta sẽ điều khiển sao cho iqload= iqstatcom

III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

Hình 11: Dạng sóng điều chế và tín hiệu điều khiển SinPWM

Về nguyên lý, phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích dòng công tắc bộnghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

• Sóng mang (carrier signal) tần số cao

• Sóng điều khiển ur reference signal ( hoặc sóng điều chế - modulating signal) dạng sin

Ví dụ: Công tắc lẻ được kích đóng khi sóng điều khiển lớn hơn sóng mang (ur > up) Trongtrường hợp ngược lại, công tắc phần chẵn được kích đóng

• Sóng mang upcó thể ở dạng tam giác Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bịkhử bớt càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quá trìnhđóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có thời gian đóng Ton và ngắtToff nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang

2 Mạch vòng điều khiển Iq

Hình 14: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều chỉnh Iq

3 Bộ chuyển đổi hệ tọa độ abc sang αβ và dq

Hình 15: Sơ đồ bộ chuyển đổi tọa độ

4 Khối phát xung PWM

Hình 16: Sơ đồ khối phát xung cho bộ nghịch lưu

5 Bộ chuyển đổi tọa độ của dòng điện

Hình 17: Sơ đồ bộ chuyển đổi tọa độ abc sang dq của dòng điện

1.3 Kết quả mô phỏng

Khởi chạy mô phỏng với các thông số của tải như sau:

Hình 18: Thông số tải ban đầu