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

Đe nâng cao chat lưong đi n áp và on định đi n áp cho h thong đi n Vi t Nam đã có rat nhieu côngtrình nghiên cứu ve vi c ứng dụng các thiet bị bù công suat phản kháng.. Trong v n hành, n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Mục lục

1 2 3 4

4

5

5

5

7

7

9

9 13

16

16

18

21

21 .

21

24

27

29

29

29

30

Danh sách hình vẽ

1 Nguyên lý hoạt đ ng cơ bản STATCOM 5 2Nguyên lý bù của b bù tích cục 6

3 Trạng thái hap thụ công suat phản kháng của b bù 6

4 Trạng thái phát công suat phản kháng của b bù 7 5

Mô hình STATCOM noi lưói 7

6 Bieu dien vector đi n áp và dòng đi n trên các h trục toa đ 8

7 Cau trúc b đieu khien STATCOM noi lưói 9

8 Cau trúc b đieu khien trên h toa đ d,q 11

9 Sơ đo khoi b đieu khien dòng trong h toa đ d,q 11

10 Sơ đo khoi vòng kín b đieu khien đi n áp m t chieu trung gian 13

11 Dạng sóng đieu che và tín hi u đieu khien SinPWM 15

13 Sơ đo mô phỏng mạch vòng đieu chỉnh đi n áp V dc 16

14 Sơ đo mô phỏng mạch vòng đieu chỉnh I q 17

16 Sơ đo khoi phát xung cho b nghịch lưu 17

17 Sơ đo b chuyen đoi toa đ abc sang dq của dòng đi n 18

20 Công suat phản kháng của lưói đi n, STATCOM và tải 19

21 Công suat tác dụng của lưói đi n, STATCOM và tải 20

22 Sơ đo lưói đi n 14 nút có gan STATCOM 21

23 Sơ đo lưói đi n 14 nút có gan STATCOM 21

28 Công suat phản kháng của nguon, STATCOM và tải 23

29 Công suat tác dụng của nguon, STATCOM và tải 23

30 Khoi Three-Phase Programmable Voltage Source 24

Danh sách bang

L I NÓI ĐAU

Đe h thong đi n hoạt đ ng linh hoạt ỏ moi che đ , ke cả tình huong sụ co nghiêm trong nhat, thì phải

có thiet bị đe đieu khien các đại lưong trong h thong đi n M t trong những đại lưong đó chính là đạilưong đi n áp, theo nh n định thục te, các sụ co tan rã h thong đi n gan đây đeu có liên quan đen sụ sụp

đo đi n áp ho c là mat on định đi n áp, mà nguyên nhân chủ yeu dȁn đên sụ sụp đo đi n áp là do khôngđáp ứng đủ nhu cau công suat phản kháng cho h thong đi n m t cách kịp thòi

Đe nâng cao chat lưong đi n áp và on định đi n áp cho h thong đi n Vi t Nam đã có rat nhieu côngtrình nghiên cứu ve vi c ứng dụng các thiet bị bù công suat phản kháng Tuy nhiên các thiet bị bù đóchưa đáp ứng những yêu cau ve phản ứng nhanh nhạy khi h thong có sụ thay đoi đ t ng t ve nhu caucông suat phản kháng Các thiet bị truyen tải đi n xoay chieu linh hoạt FACTS như: STATCOM haySVC, UPFC đã đáp ứng đưoc yêu cau ve đ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lưong bù toi ưu cho

h thong đi n trong moi che đ làm vi c Đo án này nghiên cứu ve vi c thiet ke b đieu khien STATCOM bùcông suat phản kháng nham nâng cao chat lưong đi n áp, on định h thong đi n

Trong quá trình làm đo án tuy có những lúc khó khăn nhưng nhò sụ hưóng dȁn t n tình của thayPhạm Vi t Phương em đã có the hoàn thành đo án đúng thòi hạn Tuy nhiên, do thòi gian có hạn và kienthức còn hạn che nên đo án vȁn còn thieu sót m t so phan chưa the hoàn thành Em rat mong có đưoc sụthông cảm của thay

Em xin chân thành cảm ơn!

Chữ ký của GVHD Hà N i ngày 13 tháng 7 năm 2021

Sinh viên thục hi n

Nguyen Xuân TrưỜng

I TONG QUAN VE STATCOM

1 Bù công suat phan kháng

Công suat phản kháng là m t trong những thành phan chính tạo nên trong h thong đi n Đây là công suatcan thiet đe duy trì đi n áp on định của lưói đi n, cung cap năng lưong và nâng cao hi u suat hoạt đ ngcác thiet bị đi n có tính cảm kháng Vi c bù công suat phản kháng có the mang lại nhieu loi ích như:

• Giảm đưoc ton that công suat trên mạng đi n do giảm đưoc công suat phản kháng truyen tải trênđưòng dây

• Giảm đưoc ton hao đi n áp trong mạng đi n do giảm đưoc thành phan ton that đi n áp do côngsuat phản kháng gây ra

• Giảm dụ phòng chung của cả h thong đi n liên ket, qua đó giảm đưoc chi phí đau tư vào các côngtrình nguon đi n

• Tăng khả năng truyen tải của đưòng dây và máy bien áp

• Tăng tính kinh te chung của cả h thong lón do t n dụng đưoc các nguon phát có giá thành sản xuat

đi n năng thap

Quản lý công suat phản kháng hi u quả là m t mục tiêu quan trong đe nâng cao hi u suat truyen tải,tiet ki m đi n Vi c bù công suat phản kháng sẽ cải thi n h so công suat, đieu chỉnh đi n áp tot hơn cungcap cho phụ tải Trong v n hành, ngưòi ta mong muon sử dụng công suat phản kháng của lưói đi n càng

ít càng tot mien sao thiet bị vȁn hoạt đ ng bình thưòng M t khác, trong quá trình truyen tải đi n năng từnơi sản xuat đen nơi tiêu thụ đi n sẽ có ton hao công suat, trong đó có công suat phản kháng và làm đi n

áp tại các điem cách xa nguon bị suy giảm đáng ke, đe tránh vi c ton that công suat và sụ suy giảm đi n

áp tại các nút thì phương án toi ưu là giảm lưong công suat phản kháng đưoc truyen tải Lưong côngsuat phản kháng can thiet đe đảm bảo đi n áp hoạt đ ng tại các nút sẽ đưoc bo sung bỏi các thiet bị bùcông suat phản kháng như máy bù đong b , tụ bù, SVC, STATCOM Trong đó, STATCOM là h thong

bù đong b tĩnh ứng dụng trong h thong lưói phân phoi, ỏ cap đi n áp trung the và hạ the STATCOM là

h thong bù song song, có tác dụng đieu chỉnh công suat phản kháng tại điem ket noi, đưoc thục hi nthông qua vi c đieu chỉnh biên đ và góc pha giữa đi n áp rơi trên STATCOM và đi n áp trên h thong đi n

đe dòng đi qua STATCOM có the ch m ho c nhanh pha hơn đi n áp đau nguon Nhò đó mà chức năng

on định đi n áp, cân bang phụ tải cho các pha

Các phương pháp bù thụ đ ng như đóng cat các b tụ, l p đ t các mạch loc LC không phải là giải pháp

mà có the làm cho các van đe trỏ nên tram trong hơn M t khác, trong xu the phát trien các h thong nănglưong tái tạo có công suat ngày càng lón Những lý do trên đây giải thích cho xu hưóng quan tâmnghiên cứu đ c bi t ve STATCOM cho lưói đi n trung the trong những năm gan đây Ưu điem củaSTATCOM là khả năng đieu chỉnh tot, có the đảm bảo m t lưong công suat bò không đoi trong phạm virat r ng của đi n áp đ t Do đó, STATCOM đưoc biet đen như m t thiet bị cải thi n chat lưong đi n áp,không tạo ra các thành phan sóng hài b c ba lón như các thiet bị bù khác.[1]

2 Tong quan ve STATCOM

2.1 Cau trúc cơ ban cua STATCOM

STATCOM là m t thiet bị chuyen đoi nguon đi n áp, nó chuyen đoi nguon đi n áp m t chieu thành đi

n áp xoay chieu đe bù công suat phản kháng cho h thong đi n Cau trúc cơ bản đưoc the hi n trong hình, bao gom: M t b bien đoi nguon đi n áp ba pha (VSC) đưoc noi ve phía thứ cap của máy bien áp ghép;

nguon đi n áp DC (V dc)

2.2 Nguyên lý hoạt đ ng cua STATCOM

Vi c thay đoi công suat phản kháng đưoc thục hi n bang b VSC noi bên thứ cap của máy bien áp.VSC sử dụng các linh ki n đi n tử công suat (GTO, IGBT ho c IGCT) đe đieu che đi n áp xoay chieu ba

pha V2 từ nguon m t chieu Nguon m t chieu này đưoc lay từ tụ đi n Nguyên lý hoạt đ ng củaSTATCOM đưoc chỉ rõ trong hình 4.2, the hi n công suat tác dụng và phản kháng truyen giữa đi n áp h

thong đe đieu khien là V1và đi n áp đưoc tạp ra bỏi VSC là V2

STATCOM là m t thiet bị bù ngang, nó đieu chỉnh đi n áp tại vị trí nó lap đ t đen giá trị cài đ t

(V re f) thông qua vi c đieu chỉnh biên đ và góc pha của đi n áp rơi giữa STATCOM và h thong đi n

V KET LU N VÀ HƯ NG PHÁT TRIEN

1 Ket lu n

2 Hưóng nghiên cứu phát

trien

Hình 1: Nguyên lý hoạt đ ng cơ bản STATCOM

Trong che đ hoạt đ ng on định đi n áp phát ra bỏi STATCOM V2 là cùng pha vói V1(δ = 0), do

đó chỉ có công suat phản kháng truyen tải Bang cách đieu khien đi n áp V2tạo ra bỏi VSC cùng pha vói

đi n áp V1 của h thong nhưng có biên đ lón hơn khien dòng phản kháng (I q) chạy từ STATCOM vào h

thong, lúc này dòng đi n I q hoạt đ ng như m t đi n dung cung cap công suat phản kháng đen h thong,qua đó nâng cao đi n áp h thong lên

Ngưoc lại neu đi n áp V2 tạo ra bỏi VSC có biên đ thap hơn đi n áp V1 của h thong đieu khien

dòng phản kháng (I q ) chạy từ h thong vào STATCOM, lúc này dòng đi n I qhoạt đ ng như m t đi n cảmtiêu thụ công suat phản kháng từ h thong, qua đó hạn che quá đi n áp trên lưói đi n

Neu đi n áp V2 tạo ra bỏi VSC và đi n áp V1 bang nhau thì không có trao đoi công suat phản

kháng Ta có công suat tác dụng và công suat phản kháng trao đoi giữa hai nguon V1(lưói) và V2(bbù):

Trong đó: P = V1V2sinδ

V1(V1− V2cosδ ) (2)

• V1và θ1: Đi n áp lưói can đieu chỉnh và góc l ch pha

• V2và θ2: Đi n áp tạo ra bỏi VSC và góc l ch pha

Hình 2: Nguyên lý bù của b bù tích cục

• X L: Đi n kháng ket noi giữa lưói và b bù

• δ : Góc l ch pha giữa đi n áp lưói và đi n áp b bù.

Trong che đ hoạt đ ng chỉ bù công suat phản kháng thì δ = 0 do đó từ (2) ta có:

P = 0 ; Q = V1(V1− V2) (3)

Từ (3) ta thay Q tỉ l vói hai đi n áp (V1− V2)

• Khi V1= V2thì Q = 0 b bù không phát hay hap thụ công suat phản kháng.

• Khi V1 > V2 thì Q > 0 ton tại thành phan đi n áp V12tương ứng dòng cảm kháng I L ch m sau V1,

V2 m t góc 90 đ , lưói sẽ truyen công suat phản kháng vào b bù (STATCOM hap thụ công suatphản kháng)

Hình 3: Trạng thái hap thụ công suat phản kháng của b bù

• Khi V1< V 2 thì Q < 0 ton tại thành phan đi n áp V12tương ứng dòng đi n dung I Cvưot trưóc

V1, V2m t góc bang 90 đ (B STATCOM phát công suat phản kháng lên lưói đi n)

Từ phân tích trên ta thay rang khi thay đoi biên đ đi n áp đau ra của b bù thì trong khi giữ góc l ch

θ = 0 ta có the đieu khien dòng công suat phản kháng trao đoi giữa lưói và b bù.[2]

Hình 4: Trạng thái phát công suat phản kháng của b bù

II THIET KE MÔ HÌNH STATCOM NOI LƯ I

1 Mô hình hóa h thong

Hình5: Mô hình STATCOM noi lưói Từ

sơ đo trên, sử dụng định lu t

Kirchhoff 2 cho từng pha ta có:

A

v B

u B

+

Ri B

+

L di

C

(1)

Bieu dien vector dòng đi n và đi n áp trong h toa đ tĩnh αβ và h toa đ quay dq ta đưoc the hi n như

Hình 2:

Hình 6: Bieu dien vector đi n áp và dòng đi n trên các h trục toa đ

Sử dụng các phép bien đoi toa đ abc sang toa đ tĩnh αβ thông qua phép chuyen vị toa đ CLAKE.

v

=

R i

+

L d i

α

+

u d t d i β v β

=

R i β

+

L d t

+

u β

Phương trình (2) đưoc viet lại trên h toa đ quay

dq, thông qua phép chuyen vị toa đ PARK.

u d i d + u q i q)

(6)

Q = 2 Im{u.i } = 2 (−u d i q + u q i d)

Trong đó, i∗ là chỉ so phức liên hop của i Viet lại dưói dạng ma tr n như sau:

u

2

(8)

2 Xây d ng các mạch vòng đieu khien

Hình 7: Cau trúc b đieu khien STATCOM noi lưói

2.1 Mạch vòng đieu khien dòng đi n

Ta thay rang trong phương trình mạch vòng dòng đi n có sụ tác đ ng xen kênh giữa 2 nhánh d, q đong thòi có sụ tham gia của hai thành phan đi n áp lưói là e d và e q B đieu khien PI có cau trúc như sau đảm

bảo khả năng bù xen kênh giữa hai thành phan dòng đi n d, q đong thòi khử tác đ ng của e d và e q

1

∆I + e + ωLi

s

u qre f = K p,q+

K i,q 1 ∆I q + e q − ωLi d

(9)

Trong đó, u dre f , u qre flan lưot là lưong đ t cho các thành phan đi n áp đau ra b bien đoi Các h so

K p,d , K p,q , K i,d , K i,q lan lưot là các h so tý l và tích phân của các b đieu chỉnh trục d và q.

Cau trúc của b đieu khien b bien đoi cho như hình dưói đây Tuy nhiên, do đó cau trúc đieu khien

dòng, ta đã bù tách kênh đong thòi hai thành phan e d và e q , nói cách khác hai thành phan e d và e qđưoccoi là nhieu và đã đưoc khử theo phương pháp bù xuôi Do đó, mô hình h thong thu đưoc sẽ gom hai

mô hình nhỏ trên trục toa đ d, q đ c l p nhau [3]

Hình 8: Cau trúc b đieu khien trên h toa đ d, q Từ sơ

đo trên ta có mạch vòng đieu khien dòng đi n như sau:

Hình 9: Sơ đo khoi b đieu khien dòng trong h toa đ d, q

Trong đó:

• T olà thòi gian tre của b bien đoi đi n tử công suat

• K mlà h so khuech đại b bien đoi đi n tử công suat

• K Tilà h so đo dòng đi n

• K pc , T iclan lưot là tham so của b đieu khien theo lu t PI

Chon K m = K Ti= 1 ta có đoi tưong đieu khien của mạch vòng dòng đi n là:

T = R

Trong đó: T là hang so thòi gian của mô hình.

Áp dụng tiêu chuan toi ưu module cho mạch vòng dòng đi n ta đưoc tham so b đieu khien như sau:

(12)

⇒K Go = TR 1 + sT 1

1

=1

≈1

(14)

1 + K Go 1+ 1

2T o s(1 + sT o)

2T o s(1 + sT o) + 1 1 + 2T o s

2.2 Mạch vòng đieu khien đi n áp m t chieu VDC

Kiem soát đưoc đi n áp m t chieu trên tụ chính là kiem soát đưoc quá trình trao đoi công suat tác dụng

B đieu khien đi n áp m t chieu trung gian có nhi m vụ on định tong giá trị đi n áp m t chieu trên các tụ,

đau ra của b đieu khien đi n áp m t chieu là giá trị đ t của dòng đi n trên trục d Như v y, đe đieu khien

đi n áp m t chieu trung gian, ta phải xác định đưoc hàm truyen giữa dòng đi n đ t trên trục d và giá trị đi

n áp m t chieu trung gian U dc Phương trình cân bang công suat tác dụng của phía m t chieu và xoaychieu như công thức dưói đây:

Neu bỏ qua ton hao của b bien đoi và coi nguon đi n phía xoay chieu là đoi xứng ta có e q = 0, e d

chính bang biên đ của đi n áp pha Như v y, phương trình (15) trỏ thành phương trình (16) Từ đó ta có

sơ đo khoi vòng kín b đieu khien đi n áp m t chieu như hình dưói đây

du dc = 3e d i d1 (16)

dt 2u dc C

Hình 10: Sơ đo khoi vòng kín b đieu khien đi n áp m t chieu trung gian

Trong hình 5, T eq là thòi gian tre của mạch vòng dòng đi n; T flà thòi gian tre của quá trình đo đi n

áp m t chieu trung gian trên các tụ, K Tilà h so đo dòng đi n

Chon K Ti = 1 và T f= 0 và áp dụng tiêu chuan toi ưu đoi xứng, ta xác định đưoc tham so b đieu

khien PI cho như (17) vói a là tham so tùy chon.

2CU dc

pu=

3e d T eq √a

(17)

Từ (6) ta có: 3

Q = 2 (−u d i q + u q i d)

Như v y ta thay rang công suat phản kháng Q chỉ phụ thu c vào thành phan dòng đi n i q (Vì thành

phan u q 0) V y nên muon đieu khien Q thì ta chỉ can đieu khien dòng đi n i q Trong trưòng hop ứng

dụng đe bù công suat phản kháng thì ta sẽ đieu khien sao cho i qload = i qstatcom

III PHƯƠNG PHÁP ĐIEU CHE

1 Phương pháp đieu che SPWM

Hình 11: Dạng sóng đieu che và tín hi u đieu khien SinPWM

Ve nguyên lý, phương pháp thục hi n dụa vào kỹ thu t analog Giản đo kích dòng công tac b nghịch lưudụa trên cơ sỏ so sánh hai tín hi u cơ bản:

• Sóng mang (carrier signal) tan so cao

• Sóng đieu khien u rreference signal ( ho c sóng đieu che - modulating signal) dạng sin

Ví dụ: Công tac lẻ đưoc kích đóng khi sóng đieu khien lón hơn sóng mang (u r > u p) Trong trưònghop ngưoc lại, công tac phan chȁn đưoc kích đóng

• Sóng mang u p có the ỏ dạng tam giác Tan so sóng mang càng cao, lưong sóng hài b c cao bị khửbót càng nhieu Tuy nhiên, tan so đóng ngat cao làm cho ton hao phát sinh do quá trình đóng ngatcác công tac tăng theo Ngoài ra, các linh ki n đòi hỏi có thòi gian đóng Ton và ngat Toff nhatđịnh Các yeu to này làm hạn che vi c chon tan so sóng mang

IV MÔ PHÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ

1 Mô hình STATCOM noi lưỚi

1.1 Mô hình tong quan

Hình 12: Mô hình tong quan STATCOM noi lưói

1 Mạch vòng đieu khien V dc

Hình 13: Sơ đo mô phỏng mạch vòng đieu chỉnh đi n áp V dc

2 Mạch vòng đieu khien I q

Hình 14: Sơ đo mô phỏng mạch vòng đieu chỉnh I q

3 B chuyen đoi h toa đ abc sang αβ và dq

Hình 15: Sơ đo b chuyen đoi toa đ

4 Khoi phát xung PWM

Hình 16: Sơ đo khoi phát xung cho b nghịch lưu

5 B chuyen đoi toa đ của dòng đi n

Hình 17: Sơ đo b chuyen đoi toa đ abc sang dq của dòng đi n

1.3 Ket qua mô phong

Khỏi chạy mô phỏng vói các thông so của tải như sau:

Hình 18: Thông so tải ban đau

3 Công suat tác dụng P

Hình 21: Công suat tác dụng của lưói đi n, STATCOM và tải

Nh n xét: Qua khảo sát STATCOM noi lưói và mô phỏng bù công suat phản kháng ta thu đưoc ket quả

như sau:

• Công suat phản kháng Q của STATCOM bám theo công suat phản kháng của tải

• Công suat tác dụng P của STATCOM xap xỉ bang 0

• Công suat tác dụng của tải do lưói đi n cung cap đen

• Thòi gian xác l p khoảng 0.4s