Nghiên cứu điều khiển bộ khôi phục điện áp động (DVR) để bù lõm điện áp cho phụ tải quan trọng trong xí nghiệp công nghiệp

Tính cấp thiết của đề tài: Ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn trong điều khiển hệ thống điện đưa đến những khả năng to lớn trong đảm bảo vận hành hệ thống một cách linh hoạt

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình của tôi Tất cả các ấn phẩm được

công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã

được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án Cáckết quả trong

luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI-2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---

-TRTRẦN DUY TRINH

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) ĐỂ BÙ LÕM ĐIỆN ÁP CHO PHỤ TẢI QUAN TRỌNG TRONG XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP

Chuyên nghành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỂU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

2 TS Trần Trọng Minh

3 S.TS Nguyễn Văn Liễn

HÀ NỘI-2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình của tôi Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án Các kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng trong bất cứ một luận án nào khác

Tác giả luận án

Trần Duy Trinh

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tác giả đã gặp nhiều khó khăn Một mặt do trình độ còn hạn chế, một mặt do thông tin tư liệu và tài liệu tham khảo không thật đầy đủ, song tác giả đã rất cố gắng và được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ của các GS, PGS, TS trong Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Công nghiệp, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè đồng nghiệp, luận án đến nay đã hoàn thành

Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Công nghiệp-Viện Điện, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

đã dành thời gian và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian thực hiện đề tài Chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Nhà máy

Xi măng Hoàng Mai, Tỉnh Nghệ An đã dành cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình khảo sát thực tế, thực hiện luận án Chân thành cảm ơn Viện Đào tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và động viên tác giả trong thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án

Tác giả vô cùng biết ơn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn và TS Trần Trọng Minh những người đã định hướng, hướng dẫn, giúp tác giả hoàn thành các nhiệm vụ đặt

ra cho luận án Chân thành cảm ơn các GS, PGS, TS, các thầy cô giáo đã dành thời gian đọc và đóng góp những ý kiến quý báu làm luận án có tính khoa học hơn Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án

Tác giả luận án

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Mở đầu 1

Chương 1: GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA LÕM BẰNG BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG (DVR) 5

1.1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp 5

1.1.1 Chất lượng điện năng 5

1.1.2 Lõm điện áp 6

1.2 Bộ khôi phục điện áp động (DVR) 13

1.2.1 Các thiết bị giảm thiểu lõm điện áp 13

1.2.2 Giảm thiểu lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động (DVR) 15

1.3 Điều khiển DVR 20

1.3.1 Điểu khiển trong hệ tọa độ tự nhiên 20

1.3.2 Điều khiển vector 25

1.4 Tóm tắt và kết luận 27

Chương 2: CẤU TRÚC BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG 28

2.1 Các thành phần cơ bản của bộ khôi phục điện áp động 28

2.2 Bộ biến đổi 28

2.2.1 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp 29

2.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới trực tiếp 31

2.2.3 Các phương pháp điều chế 32

2.3 Bộ lọc tần số chuyển mạch 33

2.4 Máy biến áp nối tiếp 34

2.5 Năng lượng hệ thống DVR 34

2.5.1 Các kiểu DVR cấp nguồn từ bộ lưu trữ năng lượng 35

2.5.2 Các kiểu DVR không có bộ lưu trữ năng lượng 36

2.5.3 Các phương pháp tích trữ năng lượng 38

2.6 Bảo vệ DVR 39

2.6.1 Bảo vệ ngắn mạch 39

2.6.2 Bảo vệ trước sự tăng điện áp phía DC-link 41

2.6.3 Bảo vệ hở mạch lưới 41

2.7 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR 42

2.8 Tóm tắt và kết luận 43

Chương 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG 44

3.1 Các chế độ hoạt động và hạn chế của DVR 44

3.2 Các phương pháp tạo điện áp chèn vào 45

3.2.1 Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp cân bằng 45

3.2.2 Phương pháp tạo điện áp chèn với lõm điện áp không cân bằng 49

3.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng và những đặc điểm của tải cần quan tâm khi lựa chọn phương pháp 50

3.3 Mô hình toán học của VSC và bộ lọc LC nối lưới 52

3.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp tải đáp ứng điều kiện điện áp

mất cân bằng 54

3.4.1 Cấu trúc điều khiển dùng một mạch vòng điện áp 54

3.4.2 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng 55

3.4.3 Cấu trúc điều khiển DVR 56

3.5 Xây dựng thuật toán điều khiển 57

3.5.1 Mô hình DVR trên hệ tọa độ tĩnh αβ và tọa độ quay dq 58

3.5.2 Thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ quay dq 61

3.5.3 Thuật toán điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ 66

3.6 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 70

3.6.1 Dẫn xuất bộ điều khiển PR 70

3.6.2 Cấu trúc bộ điều khiển PR 73

3.6.3 Tính toán tham số bộ điều khiển PR 74

3.7 Thiết kế bộ điều khiển điện áp SDR 76

3.8 Nghiên cứu ổn định 80

3.9 Đồng bộ lưới 85

3.9.1 Phương pháp điểm qua không 86

3.9.2 Phương pháp Arctangent 86

3.9.3 Kỹ thuật PLL 87

3.10 Phát hiện lõm điện áp 89

3.11 Điều khiển DC-link 90

3.12 Tóm tắt và kết luận 91

Chương 4: GIẢI PHÁP ÁP DỤNG DVR CHO XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP 94

4.1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đến các xí nghiệp công nghiệp 94

4.1.1 Ảnh hưởng của lõm điện áp đến các thiệt bị điện công nghiệp 94

4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của lõm điện áp đối với một xí nghiệp công nghiệp điển hình 97

4.2 Ứng dụng DVR vào thực tế 99

4.2.1 Kết quả khảo sát và các tham số ban đầu 99

4.2.2 Thiết kế các thành phần của DVR 102

4.3 Mô phỏng 107

4.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 103

4.3.2 Kết quả mô phỏng 111

4.4 Tóm tắt và kết luận 124

Chương 5: XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM DVR 125

5.1 Xây dựng bàn thí nghiệm 125

5.1.1 Phần động lực hệ thống 125

5.1.2 Phần điều khiển 129

5.2 Cài đặt thuật toán điều khiển 130

5.3 Kết quả nghiên cứu thí nghiệm 131

5.3.1 Kiểm tra khả năng đồng bộ lưới 131

5.3.2 Kiểm tra khả năng bù lõm của DVR ở chế độ tĩnh 131

5.3.3 Kiểm tra khả năng của DVR ở chế độ động 132

5.4 Tóm tắt kết luận 134

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 141

PHỤ LỤC 142

Phụ lục 1: Chuyển đổi các hệ trục tọa độ 142

Phụ lục 2: Kết quả khảo sát thực trạng lưới điện 220/110kV Nghi Sơn và các biến cố điện áp trên lưới điện 110kV Hoàng Mai 145

Phụ lục 3: Một số hình ảnh về mô hình thực nghiệm 152

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Bảng 1: Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu Tên gọi

usa(t), usb(t), usc(t) Các điện áp pha nguồn

ug,a(t), ug,b(t), ug,c(t) Các điện áp pha lưới

ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t) Các dòng điện pha lưới

uinja(t), uinjb(t), uinjc(t) Các điện áp pha chèn vào của DVR

iinj,a(t), iinj,b(t),iinj,c(t) Các dòng điện pha chèn vào

uinj,ref Điện áp chèn vào đặt

uinv,a(t),uinv,b(t),uinv,c(t) Các điện áp pha của bộ biến đổi

uc,a(t), uc,b(t), uc,c(t) Các điện áp pha trên tụ điện Cf của bộ lọc

uL,a(t), uL,b(t), uL,c(t) Các điện áp pha tải

usabc Điện áp nguồn trên hệ tọa độ tự nhiên abc

ugabc Điện áp lưới trên hệ tọa độ tự nhiên abc

iinjabc Dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ tự nhiên abc

ifabc Dòng điện cuộn cảm bộ lọc LC trên hệ tọa độ tự nhiên

uLabc* Điện áp tải đặt trên hệ tọa độ tự nhiên abc

uinjabc* Điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ tự nhiên abc

uinvabc Điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ tự nhiên abc

usαβ Vector điện áp nguồn trên hệ tọa độ tĩnh αβ

ug αβ

Vector điện áp lưới trên hệ tọa độ tĩnh αβ

iinjαβ Vector dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ tĩnh αβ

if αβ

Vector dòng điện cuộn kháng bộ lọc LC trên hệ tọa độ tĩnh

uLαβ* Vector điện áp tải đặt trên hệ tọa độ tĩnh αβ

uinj αβ*

Vector điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ tĩnh αβ

uinvαβ Vector điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ tĩnh αβ

usdq Vector điện áp nguồn trên hệ tọa độ quay dq

ugdq Vector điện áp lưới trên hệ tọa độ quay dq

iinjdq Vector dòng điện chèn vào trên hệ tọa độ quay dq

ifdq Vector dòng điện cuộn kháng bộ lọc LC trên hệ tọa độ quay

uLdq* Vector điện áp tải đặt trên hệ tọa độ quay dq

uinjdq* Vector điện áp chèn vào đặt trên hệ tọa độ quay dq

uinvdq Vector điện áp bộ biến đổi trên hệ tọa độ quay dq

ig,a(t), ig,b(t), ig,c(t) Các dòng điện pha lưới

udc(t) Điện áp phía một chiều

Cf Tụ điện bộ lọc đầu ra

Lf Điện cảm bộ lọc đầu ra

Rf Điện trở bộ lọc đầu ra

ff Tần số cộng hưởng của bộ lọc

E Năng lượng phát ra của DVR trong khi bù lõm

 Hệ số giảm điện áp của điện áp nguồn cung cấp

D Độ sâu lõm điện áp

Sinj Công suất toàn phần bơm vào lưới

Sload Công suất toàn phần của tải

Pinj Công suất tác dụng bơm vào lưới

Qinj Công suất phản kháng bơm vào lưới

SDVR Công suất toàn phần của DVR

Bảng 2: Danh mục các chữ viết tắt

Ký hiệu Viết tắt cho Nghĩa tiếng Việt

DVR Dynamic Voltage Restorer Bộ khôi phục điện áp động VSC Voltage Source Conveter Bộ biến đổi nguồn áp

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

DVR Dynamic voltage restore Bộ phục hồi điện áp động

Controlled Reactance khiển bằng thyristor

tử nguồn cung cấp UPS Uninterruptible power supply Bộ nguồn liên tục

SDR Sequence-decoupled resonant Bộ điều khiển cộng hưởng tách

HSTS Hybrid static transfer switch Bộ chuyển mạch lai

PR Resonant Controller Bộ điều khiển cộng hưởng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TT Tên các bảng biểu Trang

1 Bảng 1.1: Định nghĩa của lõm điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std

1159-1995, tiêu chuẩn IEEE std 1250-1995 và tiêu

2 Bảng 1.2: Lan truyền của lõm điện áp thông qua máy biến áp Dy 12

3 Bảng 4.1: Tổng hợp các tham số của hệ thống DVR và lưới 106

5 Bảng 5.1: Các tham số cơ bản của hệ thống thực nghiệm DVR 125

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1 : Các vấn đề chất lượng điện xảy ra phổ biến được xác

định tại 1400 địa điểm ở 8 quốc gia 5

2 Hình 1.2 : Tỷ lệ phần trăm các biến cố điện áp 5

3 Hình 1.3: Định nghĩa của biến cố điện áp dựa trên các tiêu chuẩn 7

4 Hình 1.4: Lõm điện áp một pha và lõm điện áp ba pha

7

5 Hình 1.5: Điện áp tại điểm O1,O2 và O3 khi ngắn mạch tại SC 9

6 Hình 1.6: Ngắn mạch ba pha của một lỗi ''phase-to-phase'' 10

7 Hình 1.7: Lõm điện áp do các lỗi trên lưới trong hệ thống ba pha 11

10 Hình 1.10: Lan truyền lõm điện áp đến ba điểm kết nối 12

11 Hình 1.11 : Sơ đồ ba pha của bộ máy phát - động cơ với bánh đà để

12 Hình 1.12: Sơ đồ một dây của thiết bị giảm thiểu dựa trên máy biến áp 14

13 Hình 1.13: Sơ đồ một dây công tắc chuyển tĩnh STS 14

16 Hình 1.16: Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của DVR 16

17 Hình 1.17: Đồ thị vector thể hiện nguyên lý bù lõm của DVR 17

18 Hình 1.18: Mô hình hoá đơn giản một pha của DVR 17

19 Hình 1.19: Vị trí DVR tại cấp MV trong hệ thống phân phối 18

20 Hình 1.20: Vị trí DVR cấp điện áp LV trong hệ thống phân phối 18

21 Hình 1.21: Sơ đồ cấu trúc các thành phần chính của DVR 19

22 Hình 1.22: Sơ đồ cấu trúc điều khiển một pha của phương pháp điều

23 Hình 1.23: Sơ đồ cấu điều khiển trong hệ thống hở 21

24 Hình 1.24: Sơ đồ cấu trúc điều khiển trong hệ thống kín 22

25 Hình 1.25: Sơ đồ cấu trúc điều khiển có hồi tiếp âm từ dòng

26 Hình 1.26: Cấu trúc điều khiển có các vòng hồi tiếp âm kép 24

27 Hình 1.27: Cấu trúc điều khiển hồi tiếp dòng từ bộ biến đổi và dòng tải 25

28 Hình 1.28: Cấu trúc điều khiển vector phản hồi kết hợp

truyền thẳng trên hệ tọa độ quay dq 26

29 Hình 2.1: Cấu trúc BBĐ nửa cầu kết nối MBA 29

30 Hình 2.2: Cấu trúc BBĐ cầu ba pha kết nối MBA 29

31 Hình 2.3: Cấu trúc nghịch lưu ba pha dùng ba BBĐ một pha 30

32 Hình 2.4: Cấu trúc bộ biến đổi đa mức diode nối máy biến áp 30

33 Hình 2.5: Các cấu trúc bộ biến đổi đa mức tụ kẹp nối máy biến áp 30

34 Hình 2.6: Cấu trúc cascade đa bậc nối máy biến áp sao hở/sao hở 31

35 Hình 2.7: Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha 31

36 Hình 2.8: Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha 31

37 Hình 2.9: Các cấu trúc tụ điện kết nối phía nguồn 33

38 Hình 2.10: Các cấu trúc tụ điện kết nối phía nguồn và tải 33

39 Hình 2.11: Cấu trúc bộ lọc có tụ điện kết nối song song với BBĐ 33

40 Hình 2.12: Các cấu trúc bộ lọc LC phía bộ biến đổi 34

41 Hình 2.13: Các cấu trúc bộ lọc RC phía nguồn 34

42 Hình 2.14: Kiểu DVR điện áp DC-link thay đổi 35

43 Hình 2.15: Kiểu DVR điện áp DC-Link không đổi 35

44 Hình 2.16: Kiểu DVR có BBĐ-AC/DC mắc phía nguồn 36

45 Hình 2.17: Kiểu DVR có BBĐ-AC/DC mắc phía tải 36

46 Hình 2.18: Điện áp đầu ra của một DVR điển hình 37

47 Hình 2.19: Công suất toàn phần của các kiểu liên kết DVR 37

48 Hình 2.20: Sơ đồ bảo vệ thụ động hệ thống ngắn mạch biến áp nối tiếp 39

50 Hình 2.22: Đường đi dòng điện trong trạng thái ngắn mạch 40

52 Hình 2.24: Các tình trạng hỏng hóc với sự có mặt của hệ thống DVR 42

53 Hình 2.25: Sơ đồ cấu trúc của DVR nối lưới ở cấp MV 43

54 Hình 3.1: Đồ thị vector của phương pháp "Trước lõm" 46

55 Hình 3.2: Đồ thị phasor của phương pháp "Đồng pha" 47

56 Hình 3.3: Đồ thị phasor của phương pháp “Giảm năng lượng” 48

57 Hình 3.4: Sơ đồ vector mô tả ba phương pháp tạo điện áp chèn trên

58 Hình 3.5: Sơ đồ một dây VSC và bộ lọc LC nối lưới 52

59 Hình 3.6: Mô hình tương đương VSC và bộ lọc LC nối lưới 52

60 Hình 3.7: Mô hình của VSC và bộ lọc LC nối lưới 53

61 Hình 3.8: Sơ đồ tương đương VSC và bộ lọc LC nối lưới 53

62 Hình 3.9: Điều khiển vector Feedforward cho DVR 54

64 Hình 3.11: Cấu trúc điều khiển phản hồi và truyền thẳng được kết hợp 55

65 Hình 3.12: Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng 56

66 Hình 3.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của DVR 57

67 Hình 3.14: Mô hình của VSC và bộ lọc LC trên hệ tọa độ tĩnh αβ 59

68 Hình 3.15: Mô hình của VSC và bộ lọc LC trên hệ tọa độ quay dq 60

69 Hình 3.16: Đồ thị vector không gian của điện áp nguồn trong một

70 Hình 3.17: Cấu trúc vòng điều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ quay dq 62

71 Hình 3.18: Cấu trúc vòng điều chỉnh điện áp trên hệ tọa độ quay dq 63

72 Hình 3.19: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống phục hồi điện áp

73 Hình 3.20: Sơ đồ cấu trúc điều khiển DVR trên hệ tọa độ quay dq 64

74 Hình 3.21: Đồ thị vector điện áp và vector không gian 65

75 Hình 3.22: Đồ thị vector mô tả nguyên lý làm việc BĐK SDR 66

76 Hình 3.23: Cấu trúc vòng điều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ 67

77 Hình 3.24: Cấu trúc vòng điều chỉnh điện áp trên hệ tọa độ tĩnh αβ 67

78 Hình 3.25: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống phục hồi điện áp

79 Hình 3.26: Sơ đồ cấu trúc điều khiển DVR trên hệ tọa độ tĩnh αβ 69

80 Hình 3.27: Sơ đồ chuyển đổi khâu tích phân từ hệ tọa độ dq về hệ tọa

81 Hình 3.28: Đồ thị Bode thành phần thứ tự thuận-nghịch của BĐK PR 71

82 Hình 3.29: Biểu đồ Bode của các bộ bù PR lý tưởng và thực tế 72

84 Hình 3.31: Bộ điền khiển cộng hưởng PR thực tế 73

85 Hình 3.32: Mô hình điều khiển dòng một pha 74

86 Hình 3.33: Bộ điều khiển SDR trên hệ tọa độ αβ 77

87 Hình 3.34: Sơ đồ mạch thực hiện của bộ điều khiển SDR thực tế 79

88 Hình 3.35: Đồ thị đặc tính bộ điều khiển SDR trong miền tần số 80

89 Hình 3.36: Mô hình vòng kín hệ thống với hai mạch vòng 80

90 Hình 3.37: Sơ đồ đơn giản hóa mô hình hệ thống 81

91 Hình 3.38: Đồ thị Pole-Zero của hệ thống vòng hở-vòng kín 82

92 Hình 3.39: Đồ thị Bobe của hệ thống vòng hở - vòng kín 82

93 Hình 3.40: Đồ thị Bode của hệ thống vòng hở trong trường hợp

94 Hình 3.41: Đồ thị đặc tính vào ra của tính hiệu đặt và tín hiệu thực

khi lựa chọn băng thông khác nhau cho bộ điều khiển 83

95 Hình 3.42: Đồ thị Bode của hệ hở cho 3 trường hợp lựa chọn hệ

96 Hình 3.43: Đặc tính vào ra của hệ kín giữa giá trị đặt và giá trị thực

tế khi thay đổi hệ số ki của bộ điều khiển SDR 85

97 Hình 3.44: Phương pháp đồng bộ sử dụng bộ lọc trong hệ tọa độ

98 Hình 3.45: Phương pháp đồng bộ sử dụng bộ lọc trong HTĐ tĩnh αβ 86

99 Hình 3.46: Cấu trúc vòng khóa pha cơ bản thực hiện trên HTĐ tĩnh αβ 87

100 Hình 3.47: Cấu trúc vòng khóa pha trên hệ tọa độ quay đồng bộ 88

101 Hình 3.48: Phát hiện một lõm điện áp không đối xứng 90

102 Hình 3.49: Nguyên tắc hoạt động của mạch phát hiện có khả năng

Ngăn ngừa xung ngắn và tín hiệu rơle on và off 90

103 Hình 3.50: Lượng đặt của điện áp chèn vào u*dq

inj và lượng thực tế của nó udqinj trong trường hợp xảy ra một lõm điện áp không cân bằng trên hệ trục tọa độ dq 91

104 Hình 3.51: Sai lệch điện áp chèn vào lưới được điều chỉnh bởi hai cấu

105 Hình 4.1: Sơ đồ hệ truyền động động cơ xoay chiều bằng biến tần 95

106 Hình 4.2: Sơ đồ mạch truyền động một chiều động cơ

107 Hình 4.3: Hình ảnh tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt ID 142-FN1 100

108 Hình 4.4: Sơ đồ các thành cơ bản trong cấu trúc tổ hợp

109 Hình 4.5: DVR kết nối lưới tại vị trí có cấp điện áp 6,3 kV 102

110 Hình 4.6: Sơ đồ tương đương một pha đối với DVR sử dụng

111 Hình 4.7: Sơ đồ tương đương để chọn các phần tử bộ lọc

112 Hình 4.8: Mô hình Matlapb-Simulink hệ thống DVR kết

nối lưới điện bảo vệ tải nhạy cảm điển hình tại

113 Hình 4.9: Các đặc tính của trường hợp lõm điện áp cân bằng 111

114 Hình 4.10: Các đặc tính của lõm điện áp không cân bằng 112

115 Hình 4.11: Các đặc tính của dao động và méo dạng điện áp do đóng

116 Hình 4.12: Các đặc tính của lõm điện áp do khởi động động cơ công

117 Hình 5.1: Sơ đồ thiết kế thực nghiệm hệ thống điều khiển DVR 127

118 Hình 5.2: Mô hình thực nghiệm DVR được triển khai tại Viện Kỹ

thuật điều khiển và Tự động hóa Trường ĐHBK Hà Nội 128

119 Hình 5.3: Sơ đồ cấu trúc Matlab/Simulink mô tả thuật toán điểu khiển cặp

vector nối tầng tách riêng thành phần thứ tự trên hệ tọa độ quay

120 Hình 5.4: Các đặt tính kiểm tra khả năng đồng bộ lưới của DVR 131

121 Hình 5.5: Đặt tính của hệ thống ở chế độ tĩnh trong bù lõm điện áp 132

122 Hình 5.6: Các đặc tính của hệ thống ở chế độ động trong khi bù lõm điện

áp điện áp lõm là 50% so với điện áp định mức của lưới 132

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Ứng dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn trong điều khiển hệ thống điện đưa đến những khả năng to lớn trong đảm bảo vận hành hệ thống một cách linh hoạt, khai thác hệ thống một cách hiệu quả nhất Điều này đã trở nên vô cùng quan trọng trong các điều kiện chi phí để xây dựng các hệ thống mới hoặc cải tạo các hệ thống hiện hành ngày càng tăng Bên cạnh đó việc đảm bảo chất lượng điện năng cũng ngày càng trở nên cấp thiết do điện năng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sản xuất kinh doanh của các khách hàng ngành điện, những người trả tiền cho yêu cầu năng lượng của mình và có quyền yêu cầu được đảm bảo nguồn điện cung cấp một cách liên tục với chất lượng điện áp đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn

Bộ khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer–DVR) xây dựng trên cơ sở bộ biến đổi bán dẫn là thiết bị nhằm đảm bảo khôi phục điện áp trên các phụ tải nhạy cảm khi

có sự lõm điện áp ngắn hạn, có thời gian kéo dài từ khoảng nửa chu kỳ điện áp lưới 0,01s đến cỡ dưới 60s, từ phía nguồn cấp Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các biến động điện áp kiểu này thuộc loại sự cố xảy ra có tần xuất lớn nhất trong các loại sự cố khác về nguồn điện, so với các loại sự cố khác như mất điện ngắn hạn, cỡ trên 60s đến 5 phút, hoặc mất hẳn điện, từ 5 phút trở lên, hoặc dao động điện áp với tần số rất thấp, 0,1Hz đến 1Hz, còn gọi là hiện tượng “flicker”–nhấp nháy điện Mặc dù lõm điện áp xảy ra trong một thời gian rất ngắn, một số phụ tải như các hệ thống điều khiển, các loại biến tần điều khiển động cơ

đã có thể bị dừng Trong một số trường hợp các thiết bị này có thể đóng vai trò chủ chốt trong toàn bộ dây truyền hoạt động của nhà máy, khi bị dừng dẫn tới phải dừng toàn bộ dây truyền mà sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài Nếu là hệ thống điều khiển hoặc

xử lý số liệu có thể dẫn tới gián đoạn hoặc mất thông tin, cũng dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng

Hệ thống cung cấp nguồn liên tục (UPS), là một giải pháp thông dụng hiện nay có thể bảo vệ tải nhạy cảm khỏi bị tác động của lõm điện áp, nhưng chỉ áp dụng cho các phụ tải công suất nhỏ và điện áp thấp, với các hệ thống công suất lớn thì UPS là thiết bị quá đắt tiền vì UPS phải đảm bảo hoàn toàn công suất tải Trong trường hợp này DVR là giải pháp tiết kiệm, có thể được lắp đặt để bảo vệ các tải nhạy cảm quan trọng, những hệ thống thiết

bị có sẵn và đang bị ảnh hưởng của những sự cố lõm điện áp ngắn hạn, kéo dài dưới một phút Lý do phải dùng DVR là vì việc khắc phục bằng cách cải tạo hệ thống phân phối là không thể thực hiện được, có thể do không đủ kinh phí hoặc không thể gián đoạn sản xuất hoặc hệ thống điện nằm ngoài tầm quản lý của doanh nghiệp

Trong thực tế lõm điện áp là dạng nhiễu loạn xuất hiện không biết trước và tồn tại trong thời gian ngắn, bao gồm cả biến động về biên độ điện áp cũng như góc pha, có đặc điểm phức tạp và tính chất lõm thay đổi liên tục trong thời gian xảy ra biến cố Do đó yêu cầu đặt ra đối với DVR là phải có cấu trúc phù hợp, đảm bảo được khả năng khôi phục điện áp nhất định trên tải khi nguồn đầu vào có biến động DVR là bộ biến đổi bán dẫn dùng để tạo

ra nguồn áp, đưa qua máy biến áp phối hợp, tạo ra bộ bù điện áp nối tiếp giữa tải và nguồn

Hệ thống điều khiển phải có khả năng phát hiện các sai lệch điện áp về biên độ và góc pha,

từ đó đưa ra lượng đặt đến bộ biến đổi điện tử công suất nhằm tạo ra điện áp có giá trị đủ

để bù phần sụt áp phía nguồn, giữ cho điện áp phía tải trong phạm vi cho phép

Hệ thống điều khiển phải đảm bảo yêu cầu về tác động nhanh, độ chính xác cao để có thể khôi phục điện áp trên tải ngay trong khoảng thời gian từ một nửa chu kỳ đến hai chu

kỳ điện áp lưới (0.01s0.04s) đối với các kiểu lõm điện áp Mặt khác, DVR cần đảm bảo

2

các chế độ hoạt động, đó là chế độ bù, chế độ chờ, chế độ by-pass, trong phạm vi giới hạn của công suất thiết kế

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về cấu trúc phần lực và điều khiển DVR nhằm đảm bảo cho các phụ tải nhạy cảm hoàn toàn không bị chịu tác động của các loại sự cố kiểu lõm-dâng điện áp ngắn hạn từ nguồn

Nghiên cứu chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu quả nhất đối với các xí nghiệp công nghiệp thông qua áp dụng cho một trường hợp thực tế điển hình

3 Mục tiêu đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ thực hiện trong luận án

 Tìm hiểu về đặc điểm lõm điện áp, nguyên nhân và những ảnh hưởng của nó đối với

xí nghiệp công nghiệp và các giải pháp giảm thiểu

 Nghiên cứu cấu trúc mạch lực bộ khôi phục điện áp động (DVR) để đảm bảo khả năng đưa ra điện áp bù ứng với toàn giải thay đổi của phụ tải và biên độ lõm điện áp cũng như thời gian biến động

 Nghiên cấu các cấu trúc và thiết kế tham số cho hệ thống điều khiển đảm bảo tính tác động nhanh và chính xác của DVR

 Nghiên cứu áp dụng DVR trong lưới điện của xí nghiệp công nghiệp thông qua một trường hợp thực tế điển hình

 Xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm để kiểm tra chất lượng thuật toán điều khiển đề xuất và khả năng khôi phục điện áp của DVR

Trên cơ sở mục tiêu của luận án, đối tượng nghiên cứu của đề tài sẽ được tập trung hướng đến giải quyết các vấn đề về:

- Nhiểu loạn lõm điện áp, ảnh hưởng của lõm điện áp đối với xí nghiệp công nghiệp, phương pháp giảm thiểu lõm điện áp và giải pháp DVR

- Cấu hình của DVR bao gồm; bộ biến đổi bán dẫn công suất, bộ lọc phía xoay chiều, máy biến áp nối tiếp, bộ lưu trữ năng lượng và DC-link, các cấu trúc liên kết giữa các phần

tử

- Các mạch vòng và thuật toán điều khiển của DVR bao gồm; Xây dựng các mạch vòng dòng điện, điện áp, thuật toán điều khiển điện áp tải của DVR, thuật toán điều khiển phát hiện lõm, áp dụng thuật toán điều khiển đồng bộ lưới (PLL), thiết kế các bộ điều khiển được áp dụng

- Mô hình mô phỏng bao gồm; mô hình hóa lưới điện, mô hình hóa DVR, mô hình hóa đối tượng được bảo vệ là tải nhạy cảm quan trọng, mô hình hóa các biến cố điện áp trên lưới, mô hình mô phỏng thực hiện trên phần mềm Matlap/Simulink

- Mô hình thực nghiệm DVR bảo vệ tải nhạy cảm Pđm=5kW, điện áp 380V xây dựng tại phòng thí nghiệm

- Trường hợp áp dụng kết nối DVR với lưới điện thực tế gồm; tìm hiểu lưới điện thực

tế của nhà máy xi măng Hoàng Mai, các biến cố điện áp trên lưới, phụ tải nhạy cảm quan trọng bị ảnh hưởng tại nhà máy, ví trí lắp đặt DVR

Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi là tìm hiểu về lõm điện áp và ảnh hưởng của nó đến các xí nghiệp công nghiệp Phân tích lựa chọn cấu hình phần lực và nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển DVR để khôi phục điện áp trên tải, bảo vệ tải nhạy cảm Đưa ra các điều kiện và thủ tục để áp dụng DVR trong các xí nghiệp công nghiệp, thông qua một trường hợp cụ thể trong thực tế Các kết quả nghiên cứu của luận án được

3

kiểm tra đánh giá thông qua mô phỏng và xây dựng một mô hình thực nghiệm ở phòng thí nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong đề tài này

- Khảo sát thực tế, thống kê, phân tích và đánh giá thực trạng

- Sử dụng mô hình mạch điện, lý thuyết điều khiển vector, lý thuyết điều khiển tuyến tính trong xây dựng vòng điều chỉnh và thiết kế bộ điều khiển

- Mô phỏng trên máy tính thông qua phần mềm Matlab-Simulink, thực nghiệm kiểm tra

và khẳng định các kết quả nghiên cứu lý thuyết

5 Nội dung của luận án:

Nội dung của luận án được trình bày theo các chương sau đây:

Mở đầu: Nêu mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học và thực

tiễn của đề tài nghiên cứu

Chương 1: Giảm thiểu ảnh hưởng của lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động

Trình bày tổng quan về lõm điện áp và các phương pháp giảm thiểu lõm điện áp, trong

đó trọng tâm nghiên cứu phương pháp giảm thiểu hiệu quả nhất là sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR) Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR

Chương 2: Cấu trúc bộ khôi phục điện áp động

Trình bày chức năng nhiệm vụ của các thành phần trong hệ thống, các kiểu kết nối, phương pháp bảo vệ cho DVR và cuối cùng là lựa chọn một cấu trúc phần cứng điển hình của DVR đủ để tiếp tục nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển của hệ thống

Chương 3: Điều khiển bộ khôi phục điện áp động

Tập trung nghiên cứu điều khiển DVR, bao gồm; điều khiển khôi phục điện áp tải, điều khiển đồng bộ điện áp lưới, điều khiển phát hiện lõm điện áp và điều khiển điện áp DC-link Trong đó, trọng tâm nghiên cứu phát triển điều khiển khôi phục điện áp tải của DVR, bao gồm các chiến lược điều khiển, mô hình toán học, các cấu trúc và thuật toán điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ, các bộ điều khiển và thiết kế bộ điều khiển được trình bày Cuối cùng là các nghiên cứu ổn định hệ thống

Chương 4: Giải pháp áp dụng DVR cho xí nghiệp công nghiệp

Trình bày các điều kiện áp dụng DVR cho các xí nghiệp công nghiệp, các bước thực hiện thiết kế cụ thể, thông qua một trường hợp áp dụng DVR bảo vệ một tải nhạy cảm quan trọng thực tế là tổ hợp Biến tần-Động cơ ID 142-FN1 trong ngành công nghiệp xi măng Xây dựng mô hình mô phỏng DVR kết nối hệ thống lưới điện như đã được thiết kế, thuật toán điều khiển đề xuất ở chương 3 cũng được áp dụng cài đặt trong mô hình

Chương 5: Xây dựng mô hình thực nghiệm DVR

Chương này trình bày cách thức xây dựng bàn thí nghiệm, cài đặt thuật toán điều khiển

đề xuất, thực hiện thí nghiệm và lấy kết quả

Kết Luận và kiến nghị

Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của toàn bộ luận án, khẳng định lại những kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển của đề tài

4

6 Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới:

 Đưa ra cấu trúc và thuật toán điều khiển cho bộ khôi phục điện áp động (DVR) trong

bù lõm điện áp cân bằng và không cân bằng Nó được dựa trên phương pháp điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ tĩnh αβ với hai vòng điều khiển tương ứng cho mỗi thành phần thứ tự thuận và thứ tự nghịch được điều khiển riêng biết

 Khảo sát và phân tích được nguyên nhân sự cố lõm điện áp và ảnh hưởng của nó đến phụ tải nhạy cảm quan trọng trong ngành công nghiệp xi măng như tổ hợp Biến tần-Động

cơ quạt ID Kết quả khảo sát đã chỉ ra các điều kiện để có thể đưa vào ứng dụng thiết bị DVR một cách hiệu quả nhất thông qua một trường hợp thực tế điển hình

 Một mô hình mô phỏng kết hợp lưới điện, các phụ tải và DVR nối lưới ở cấp trung

áp 6,3kV để bảo vệ tải nhạy cảm quan trọng là tổ hợp Biến tần-Động cơ quạt công nghệ 142-FN1 Mô hình được phát triển và thực hiện trong phần mềm Matlap/Simulink

 Thực hiện thành công mô hình thực nghiệm (trong phòng thí nghiệm) với các thuật toán điều khiển được cài đặt trên bộ xử lý tín hiệu dSPACE card DS11040 để đánh giá khả năng làm việc của DVR trong bù lõm điện áp và giảm thiểu nhiễu loạn điện áp

sử dụng bộ khôi phục điện áp động (DVR), được dựa trên việc điều khiển bộ biến đổi điện

tử công suất Các phương pháp điều khiển DVR đã được nghiên cứu đến nay trong các công trình sẽ được tóm tắt ngắn gọn, qua đó chỉ ra những hạn chế trong điều khiển bù lõm cần được khắc phục, đồng thời chỉ ra hướng nghiên cứu phát triển điều khiển DVR nhằm mục đích khôi phục điện áp tải khi gặp phải bất cứ nhiễu loạn lõm điện áp nào xuất hiện từ phía nguồn cấp Nội dung trong chương một được tham khảo trong các tài liệu [1,3,8,9,14,15,16,17,18,19,25,29,32,39,62]

1.1 Chất lượng điện năng và vấn đề lõm điện áp

1.1.1 Chất lượng điện năng

Vấn đề chất lượng điện bao gồm một loạt các rối loạn liên quan đến điện áp, dòng điện

và độ lệch tần số Các nhiễu loạn đó có thể là

 Gián đoạn ngắn

 Lõm/dâng điện áp

 Quá độ dòng điện và điện áp

 Sự méo dạng của các sóng dòng điện và điện áp

 Nháy điện

 Mất cân bằng

 Thay đổi tần số nguồn

Các vấn đề chất lượng điện năng đã được xác định trong một số tiêu chuẩn như; IEC

61000, IEEE 1159-1995 và EN 50160, hoặc được định nghĩa trong các tài liệu [14,15]

Những tổn thất từ chất lượng điện năng kém đối với khách hàng dùng điện, đặc biệt là các xí nghiệp công nghiệp, từ lâu đã được biết đến, nhưng để giảm thiểu nó còn gặp nhiều khó khăn Một nghiên cứu thực hiện bởi Hội đồng châu Âu [25], bao gồm 1400 vị trí trong

8 quốc gia về các biến cố điện áp tại các địa điểm khác nhau trong hệ thống điện Kết quả thu được thể hiện ở đồ thị hình 1.1, chỉ ra những vấn đề gặp phải từ chất lượng điện áp

Hình 1.1 Các vấn đề thường xảy ra liên quan

đến chất lượng điện kém được xác định tại 1400

địa điểm ở 8 quốc gia [14]

Hình 1.2 Tỷ lệ phần trăm các

biến cố điện áp[14]

Tình trạng treo máy tính Nhấp nháy ánh sáng

Sự cố thiết bị Thiết bị xử lý dữ liệu Quá tải PFC

overloading Các vấn đề đóng cắt tải nặng Quá nhiệt dây trung tính Các vấn đề với đường dây dài Các bộ phận máy dừng hoạt động Sai lệch trong hệ thống đo lường

0% 5% 10% 15% 20%

25% 30%

- Các chú trọng hơn về vận hành và khai thác hiệu quả hệ thống năng lượng điện đã dẫn đến sự gia tăng trong việc áp dụng các thiết bị hiệu suất cao như; bộ điều chỉnh tốc độ động cơ, tụ điện song song hiệu chỉnh hệ số công suất để giảm tổn thất hoặc phát triển các

hệ thống nguồn phân tán nối lưới như; hệ thống điện mặt trời, hệ thống điện gió Điều này

có thể dẫn đến hậu quả tăng mức độ hài trên các hệ thống điện, tăng các biến cố như dao động điện áp hoặc thay đổi tần số

- Người dùng điện có một nhận thức tốt hơn về các vấn đề chất lượng điện năng Họ nhận thức tốt hơn về các vấn đề như gián đoạn, lõm điện áp, sóng hài, quá độ và đang yêu cầu cung cấp nguồn năng lượng có độ tin cậy và chất lượng cao từ nhà cung cấp Ngược lại nhà cung cấp năng lượng luôn chịu một áp lực từ những đòi hỏi của khách hàng và những tổn thất do chất lượng điện kém gây nên trong truyền tải điện năng

Trong số các nhiễu loạn trên hệ thống điện thì lõm điện áp là loại nhiễu loạn nghiêm trọng nhất và có tần suất xuất hiện lớn nhất, theo kết quả khảo sát ở hình 1.2 chiếm 31% Lõm điện áp xảy ra trong thời gian ngắn, liên quan đến suy giảm điện áp và nhảy góc pha Khi có một biến cố trên lưới điện (ví dụ ngắn mạch) có thể ở vị trí rất xa so với thiết bị đầu cuối, dẫn đến xuất hiện một lõm điện áp lan truyền đến nhiều vị trí khác nhau trên lưới điện và có thể đến các vị trí kết nối của tải nhạy cảm để gây ảnh hưởng, tài liệu [21,22,24] Trong các xí nghiệp công nghiệp các tải nhạy cảm quan trọng thường có ảnh hưởng rất lớn đến toàn bộ hoạt động của các dây chuyền sản xuất Trong khi đó chính những tải này lại rất nhạy cảm với tác động của lõm điện áp gây ra dừng máy, mất hoặc sai lệch thông tin, dẫn đến các bộ phận khác của dây chuyển cũng bị dừng theo, sự khởi động trở lại rất tốn kém và kéo dài Vì vậy, lõm điện áp là nhiễu loạn được lựa chọn trong số các nhiễu loạn liên quan đến chất lượng điện năng để nghiên cứu giảm thiểu trong luận án này Để có thể đưa ra các phương pháp giảm thiểu, cần thiết phải phân tích rõ về nguyên nhân, đặc điểm của nó

1.1.2 Lõm điện áp

a) Định nghĩa lõm điện áp

Theo IEEE Std 1159-1995, lõm điện áp là hiện tượng suy giảm điện áp tức thời đột

ngột tại một thời điểm mà giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) của nó giữa 10% đến 90% so với điện áp chuẩn, tiếp theo đó điện áp được phục hồi trong một thời gian rất ngắn, từ một nửa chu kỳ của điện áp lưới (10ms) đến một phút Trong khi dâng điện áp là sự tăng đột ngột giá trị RMS lên quá một giá trị ngưỡng nhất định Thông thường giá trị ngưỡng này bằng 110% giá trị định mức điện áp nguồn[14]

Ở hình 1.3 lõm điện áp được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE Std 1159-1995 và EN

50160, trong đó chỉ ra sự khác nhau giữa lõm điện áp và gián đoạn ngắn Tuy nhiên thuật ngữ được sử dụng trong các tiêu chuẩn đối với lõm điện áp có sự khác nhau Ví dụ: cùng

7

một dạng nhiễu loạn thì trong EN 50.160 được gọi là ''voltage dips'' trong khi trong IEEE Std 1159 nó được gọi là ''voltage sag''

Thuật ngữ ''voltage sags'' hay ''voltage dips'' được coi là từ đồng nghĩa vì nó được dùng

để chỉ một dạng nhiễu loạn Trong luận án này thuật ngữ ''lõm điện áp'' được lựa chọn sử dụng

Hình 1.3 Định nghĩa của biến cố điện áp dựa trên các tiêu chuẩn [25]

Tóm tắt của các định nghĩa lõm điện áp được đưa ra trong các tiêu chuẩn được trình bày trong bảng 1.1 [14]

Bảng 1.1 Định nghĩa của lõm điện áp theo tiêu chuẩn IEEE std 1159-1995, tiêu chuẩn IEEE std

1250-1995 và tiêu chuẩn IEC 6100-2-1 1990, tài liệu[14]

(up to 35 kV)

Một số hình ảnh mô tả của lõm điện áp được thể hiện ở hình 1.4

Hình 1.4 Lõm điện áp một pha và lõm điện áp ba pha [22]

8

b) Nguồn gốc của lõm điện áp

Trong hệ thống năng lượng có thể phân biệt các nguyên nhân gây lõm điện áp như sau, tài liệu [14, 15, 21,23,24]:

 Các lỗi hệ thống nguồn; sét, gió, băng tuyết, nhiễm bẩn của thiết bị cách điện, động vật tiếp xúc, tai nạn giao thông, xây dựng Các lỗi kể trên thường dẫn đến ngắn mạch Dòng ngắn mạch gây lõm điện áp trong suốt thời gian ngắn mạch và lan truyền đến các vị trí khác nhau trên lưới điện Thông thường nhất là ngắn mạch kiểu một pha, do đó gây nên

sự giảm điện áp một pha có độ sâu phụ thuộc vào điểm đo so với vị trí xảy ra ngắn mạch

 Khởi động thiết bị có công suất lớn so với công suất ngắn mạch của hệ thống tại điểm kết nối Sự giảm gây ra bởi sự khởi động mạch truyền động công suất lớn thông thường nhất là ba pha đối xứng có giá trị lõm điện áp tương đối lớn trong thời gian giảm kéo dài tương đối lâu

 Giảm điện áp gây ra bởi đóng mạch các biến áp năng lượng vào hệ thống, dẫn đến lõm điện áp không đối xứng kết hợp với sự có mặt của các hài bậc hai và bậc bốn

 Các biến động của tải; trong các lưới ba pha sự giảm điện áp có thể phân loại theo tính không đối xứng điện áp trong khi nhiễu loạn Độ không đối xứng này cũng như điện

áp trong các pha riêng biệt phụ thuộc vào kiểu ngắn mạch và phương pháp đấu nối các cuộn biến áp năng lượng giữa chỗ ngắn mạch và điểm kết nối thiết bị [14, 19]

Lõm điện áp thường xảy ra do hậu quả ngắn mạch, các lỗi chạm đất, máy biến áp năng lượng, kết nối của các động có cảm ứng công suất lớn

c) Đặc điểm lõm điện áp

Độ lớn và khoảng thời gian là hai đặc điểm quan trọng nhất của lõm điện áp, mà theo IEEE Std 1159 (1995), độ lớn lõm nằm trong khoảng từ 10% đến 90% điện áp danh định

và thời gian lõm từ nửa chu kỳ đến một phút

 Độ lớn lõm điện áp: là điện áp hiệu dụng theo phần trăm hoặc trên một đơn vị tương

đối (p.u) còn lại trong ''biến cố'' của điện áp trước khi có lỗi, [22]

Điện áp hiệu dụng dùng để xác định mức độ lõm điện áp được tính theo (1.1)

N k

V

1 2 1

) ( (1.1)

N là số lượng mẫu trên mỗi chu kỳ, vi là điện áp tức thời lấy mẫu và k là thời điểm khi tính điện áp hiệu dụng Ở đây, điện áp hiệu dụng được tính toán với N mẫu điện áp tức thời trước đó Ngoài ra nó có thể ước tính giá trị điện áp hiệu dụng chỉ bằng một nửa chu kỳ của giá trị tức thời, [22]

N k

V

1 ) 2 / (

2 )

2 / 1 (

2 ) ( (1.2) Các thuật toán nửa chu kỳ là nhạy và chính xác hơn với những thay đổi trong điện áp,

có phản ứng nhanh hơn để phát hiện một biến cố Tuy vậy nó cho thấy dao động khi có một thành phần hài bậc 2 trong các tín hiệu điện áp [23]

Độ lớn của các lõm điện áp phụ thuộc bởi khoảng cách của các điểm quan sát từ vị trí ngắn mach và nguồn cung cấp Mức điện áp rơi tại một điểm quan sát cụ thể trong các lõm

là một giá trị ngẫu nhiên, tùy thuộc vào vị trí của nó trong mạng điện liên quan đến một ngắn mạch

Xét trường hợp một lỗi ngắn mạch với trở kháng tại điểm ngắn mạch bằng không, hệ thống có thể được đại diện bởi một mạch tương đương một pha như trong hình 1.5

9

Điện áp tại các điểm xem xét O1, O2 hay O3 phụ thuộc vào trở kháng tương đương kết nối điểm đó đến vị trí ngắn mạch (SC) và nguồn Tùy thuộc vào độ lớn tương đối của các trở kháng, độ sâu của các lõm điện áp có thể khác nhau trên phạm vi 0-100%, tài liệu [14]

Hình 1.5 Điện áp tại các điểm O 1 ,O 2 và O 3 đối với ngắn mạch tại điểm SC và một nguồn tương

đương (thể hiện trong điều kiện điện áp pu);Z, trở kháng tương đương [14]

Điểm cần được xem xét gần vị trí ngắn mạch thì điện áp còn lại là thấp hơn Mặt khác, gần các điểm được coi là nguồn cung cấp (thông thường, một nguồn năng lượng, mà cũng

có thể là một bảng các tụ điện, pin, máy quay, vv), điện áp sụt giảm ít hơn trong thời gian xảy ra biến cố

Ngắn mạch trên hệ thống truyền tải có thể dẫn đến một sự sụt giảm điện áp được quan sát thấy trên một khu vực rất rộng, khoảng cách có thể lên đến vài trăm kilometer Một ngắn mạch trong một mạch điện phân phối có ảnh hưởng trong phạm vi nhỏ hơn nhiều

 Khoảng thời gian lõm điện áp: là khoảng thời gian giảm điện áp hiệu dụng dưới

90% của lõm điện áp danh định, tài liệu [14,22]

Thời gian lõm điện áp chủ yếu được xác định bởi thời gian hoạt động của thiết bị bảo vệ

để loại bỏ ngắn mạch từ hệ thống, chủ yếu là cầu chì, máy cắt và rơle bảo vệ Các đặc tính thời gian của các thiết bị bảo vệ sẽ được được phân chia và phối hợp với nhau, do đó, một lỗi được phát hiện bởi một số thiết bị bảo vệ sẽ được hủy bỏ tại điểm thích hợp nhất của hệ thống, thông thường, gần nhất với vị trí lỗi.[14]

Nhiều lỗi được hủy bỏ trong phạm vi thời gian khác nhau Với thời gian nhanh hơn có thể đạt được đối với ngắn mạch trên đường dây truyền tải (từ 60 đến 150 ms), trong khi lỗi hủy bỏ trên các mạch phân phối có thể chậm hơn đáng kể (với cấp MV từ 0,5 đến 2s, cấp

LV, tùy thuộc vào đặc điểm cầu chì) [14]

Khi một biến cố khác với một ngắn mạch, thời gian được điều chỉnh bởi nguyên nhân gây ra biến cố đó

 Nhảy góc pha

Một biến cố xảy ra trên lưới điện chẳng hạn như một lỗi ngắn mạch sẽ tạo các lõm điện

áp khác nhau trên các vị khác nhau của lưới điện Ảnh hưởng đó không chỉ liên quan đến

độ lớn của các điện áp pha mà còn gây ra hiện tượng thay đổi góc pha Sự thay đổi trong

góc pha được gọi là nhảy góc pha Nhảy góc pha được xem như là một sự dịch chuyển

điểm qua không của điện áp tức thời và đó là nguyên nhân dẫn đến sự cố đối với các bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng góc pha làm thông tin để phát xung điều khiển, [22]

 Các kiểu của lõm điện áp ba pha

Tùy thuộc vào kiểu lỗi trên lưới điện và kiểu kết nối của máy biến áp năng lượng cùng với đường dây nguồn, dẫn đến các kiểu lõm điện áp khác nhau và có thể được phân biệt như sau, tham khảo tài liệu [8,9,32]

4 3 2 1

2 1 02

Z Z Z Z

Z Z U

3 2 1 03

Z Z Z Z

Z Z Z U

1 01

Z Z Z Z

Z U

và thứ tự không, [14]

Hình 1.6 Ngắn mạch trong lưới ba pha của một lỗi ''phase-to-phase''[32]

Xét một lỗi ngắn mạch ''phase-to-phase'', hình 1.6 Trong đó ZF, ZF là trở kháng của thành phần thứ tự thuận, nghịch ở phía bên lỗi Z là trở kháng của thành phần thứ tự thuận S

phía bên nguồn, tài liệu [8,9,32]

Mức độ nghiêm trọng của lỗi có thể nhìn thấy từ điểm kết nối PCC, nó được đánh giá bởi tham số lõm D, trong đó xác định mối quan hệ giữa trở kháng đường dây tại phía bên lỗi và phía bên nguồn, tức là [29]

) (

2

) (

F F

Z Z Z

Z Z D

D

D  (1.3) Điều cho thấy ở đây là độ lớn của điện áp bị lỗi phụ thuộc vào khoảng cách từ PCC đến điểm lỗi, cụ thể là nó chủ yếu phụ thuộc vào độ lớn của D Sự khác biệt trong các góc pha giữa điện áp trước lỗi và điện áp bị lỗi phụ thuộc vào góc pha của D Nếu tỷ lệ X/Z của trở kháng tại cả hai bên của PCC vẫn không đổi, tức là nếu góc pha của ZSbằng với của





 F

F Z

Z , không có nhảy góc pha giữa điện áp trước lỗi và điện áp bị lỗi

Hình 1.7 cho thấy bốn kiểu của lõm điện áp kết quả từ các lỗi khác nhau trên lưới điện, trong đó chỉ số nhảy góc pha giả định bằng 0, tài liệu [8,9,29]

Lõm kiễu A: Lỗi ba pha và lỗi ba pha chạm đất (Three-phase fault and

three-phase-to-ground fault), hình 1.7a

Lõm kiễu B: Lỗi một pha chạm đất (Single-phase-to-ground fault)

11

Lõm kiễu C: Lỗi hai pha (Phase-to-phase fault)

Lõm kiểu D: Lỗi hai pha chạm đất (Two-phase to ground fault)

Hình 1.7 Lõm điện áp do các lỗi trên lưới trong hệ thống ba pha với D , tài liệu [29]

Kết quả D VSađược biết như ''chỉ số điện áp'' của lõm điện áp và đại diện cho một trong hai điện áp pha trong các lỗi ''phase-to-ground'' hoặc điện áp ''line-to-line'' trong các lỗi ''phase-to-phase'' Tương tự như vậy góc pha của Dđược biết như chỉ số "nhảy góc pha'' của lõm điện áp

Hình 1.8 Lõm điện áp kiểu C với D = 0,5∠-30 [29]

Có rất nhiều trường hợp trong thực tế, tỷ lệ X/R của trở kháng ở cả hai phía của PCC ở hình 1.6 không giữ cố định trong một lỗi, điều này hàm ý một bước nhảy góc pha là khác không Điều này là đúng khi sự cố ảnh hưởng đến đường dây nguồn bao gồm các thành phần với trở kháng khác nhau, hoặc khi động cơ cảm ứng lớn được kết nối với lưới điện

12

Trong trường hợp này, các pha điện áp trong lưới lỗi mất đối xứng, thể hiện bởi các kiểu lõm ở hình 1.7 còn trong hình 1.8 cho thấy một ví dụ của lõm điện áp kiểu C có góc nhảy pha với D= 0,5∠-30

 Lan truyền của lõm điện áp

Độ lớn và góc pha của điện áp không cân bằng do một lỗi nhất định trên lưới sẽ được thay đổi khi truyền qua máy biến áp ba pha đang được kết nối sử dụng trong hệ thống điện, tài liệu [8,9,29]

Hình 1.9 Lan truyền của một lõm điện áp kiểu C ( D = 0,5∠-0 0 ) thông qua máy biến áp Dy [29]

Điều này sẽ dẫn đến làm phát sinh các kiểu mới của lõm điện áp khác nhau thể hiện trong hình 1.7 mặt khác, các thành phần thứ tự không, thường có mặt trong các lỗi 'phase-to-ground', có thể sẽ được loại bỏ Một ví dụ ở 1.9 cho thấy với điện áp 'line-to-line' của một lõm kiểu C từ phía cuộn dây sơ cấp của một máy biến áp Dy được lan truyền sang cuộn dây thứ cấp với góc pha và độ lớn khác nhau mà kết quả xuất hiện một kiểu mới của lõm điện áp (kiểu D)

Để xác định các kiểu khác nhau của lõm điện áp hiện có trong hệ thống điện nói chung, xét ví dụ hình 1.10

Hình 1.10 Lan truyền lõm điện áp đến ba điểm kết nối (PCC 1 , PCC 2 , PCC 3 )

trong lưới điện với kết nối hai cặp máy biến áp Dy [29]

Trong đó các máy biến áp kết nối kiểu Dy, các điện áp lõm sẽ được đo trên các điểm kết nối PCC1, PCC2 và PCC3 khi xuất hiện một lỗi tại F Qua phân tích các điện áp đo trên PCC2 and PCC3 đã xác nhận xuất hiện ba kiểu mới của lõm điện áp (kiểu D, F và G) từ các lõm điện áp ban đầu (kiểu A, B, C và E) trên thanh cái PCC1 Mối quan hệ giữa các kiểu khác nhau của lõm điện áp được tóm tắt trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Lan truyền của lõm điện áp thông qua máy biến áp Dy

13

1.2 Bộ khôi phục điện áp động (DVR)

Để chống lại những ảnh hưởng của lõm điện áp, đảm bảo hoạt động cho các tải nhạy cảm, đặc biệt là các tải nhạy cảm quan trọng trong các xí nghiệp công nghiệp hiện đại, như một điều tự nhiên từ lâu đã được nghiên cứu Có nhiều giải pháp khác nhau để giảm thiểu lõm điện áp, có thể phân biệt ba giải pháp sau đây, tài liệu [14,15,39,40,44,45,62]

 Cải tạo hệ thống điện: Là giải pháp giảm thiểu thông qua việc can thiệp vào hệ thống điện, xem xét cả những thay đổi trong các thành phần điện của hệ thống và trong cấu trúc của nó, [27]

 Tăng khả năng "miễn dịch" của thiết bị: Tăng khả năng chịu đựng của thiết bị điện trước những ảnh hưởng của lõm điện áp các nhiễu loạn điện áp, [24]

 Thiết bị giảm thiểu: Lắp đặt thiết bị có khả năng giảm thiểu lõm điện áp vào điểm kết nối của hệ thống điện, trước các phụ tải nhạy cảm để bảo vệ tải, [27]

Một trong ba giải pháp trên, khách hàng dùng điện duy nhất có thể lựa chọn là giải pháp lắp đặt thiết bị giảm thiểu, vì họ có thể kiểm soát được tình hình Có thể phân chia các thiết

bị giảm thiểu làm hai nhóm chính:

- Giảm thiểu bằng các thiết bị thụ động, dựa trên các thiết bị kỹ thuật cổ điển như máy biến thế hoặc máy điện quay

- Thiết bị giảm thiểu dựa trên bộ biến đổi điện tử công suất

Trong số các thiết bị của giải pháp giảm thiểu, DVR là thiết bị tiết kiệm và đưa lại hiệu quả tốt nhất trong khôi phục điện áp tải để chống lại ảnh hưởng của lõm điện áp Sau đây

sẽ trình bày tóm tắt các phương pháp giảm thiểu trước khi đi sâu vào tìm hiểu kỷ hơn về DVR

1.2.1 Các thiết bị giảm thiểu lõm điện áp

 Bộ máy phát - động cơ

Bộ lưu trữ năng lượng của hệ máy phát – động cơ thông qua một bánh đà như thể hiện trong hình 1.11, tài liệu [32]

Hình 1.11 Sơ đồ ba pha của bộ máy phát - động cơ với bánh đà để giảm thiểu lõm điện áp [32]

Hệ thống bao gồm một động cơ (có thể là động cơ cảm ứng hoặc một máy đồng bộ), một máy phát điện đồng bộ cung cấp cho tải nhạy cảm và một bánh đà, tất cả được nối đồng trục với nhau Năng lượng tích trữ dưới dạng quán tính của bánh đà được chuyển đổi

sử dụng để thực hiện điều chỉnh điện áp ở trạng thái xác lập hoặc bù điện áp trong quá trình rối loạn Trong trường hợp các lõm điện áp, hệ thống có thể bị ngắt kết nối từ nguồn điện bằng cách mở contactor nằm ở phía trước nguồn động cơ nhưng tải nhạy cảm vẫn có thể được cung cấp điện thông qua máy phát điện Khả năng giảm thiểu của thiết bị này phụ thuộc đến quán tính và tốc độ quay của bánh đà

Hệ thống này có hiệu quả cao, chi phí ban đầu thấp và cho phép đáp ứng trong khoảng thời gian vài giây nhưng chỉ có thể được sử dụng trong môi trường công nghiệp, do kích thước của nó, tiếng ồn và yêu cầu bảo trì

14

 Các thiết bị giảm thiểu dựa trên biến áp

Máy biến áp cộng hưởng sắt từ làm việc một cách tương tự như máy biến áp với tỷ số 1:1 lần lượt được kích thích ở một điểm cao trên đường cong bão hòa của nó, do đó sẽ cung cấp một điện áp đầu ra không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của điện áp đầu vào Trong thiết kế thực tế, như trong hình 1.12a, một tụ điện, kết nối với các cuộn dây thứ cấp

có tác dụng để thiết lập các điểm làm việc trên chỗ uốn của đường cong bão hòa Giải pháp này là thích hợp cho công suất thấp (ít hơn 5 kVA [32]), tải không đổi Với tải biến đổi có thể gây ra một số vấn đề, do sự hiện diện của mạch điều chỉnh ở đầu ra của hệ thống này, tài liệu [32] Mặt khác do có bảo hòa nên hình dáng điện áp ra bị méo dạng

a) b)

Hình 1.12 Sơ đồ một dây của thiết bị giảm thiểu dựa trên máy biến áp[32]

Hình 1.12b là cấu trúc có bổ sung các phân nhánh điện tử được gắn trên một máy biến

áp chuyên dụng cho tải nhạy cảm Để thay đổi tỷ lệ lần lượt theo những thay đổi trong điện

áp đầu vào bằng việc tự động điều khiển đóng cắt các phân nhánh điện tử của máy biến áp Các phân nhánh điện tử được kết nối nối tiếp trên các đầu ra phân phối và được đặt giữa nguồn cung cấp và tải Một phần của cuộn dây thứ cấp cung cấp tải được chia thành một số đoạn, được kết nối hoặc ngắt kết nối bằng các thiết bị chuyển mạch tĩnh nhanh, do đó cho phép điều chỉnh điện áp thứ cấp theo các bước Điều này sẽ cho phép điện áp đầu ra được đưa trở lại mức trên 90% giá trị danh định, ngay cả đối với các lõm điện áp nghiêm trọng Nếu thiết bị chuyển mạch là các van bán dẫn thyristor được sử dụng, chúng chỉ có thể được bật một lần trên mỗi chu kỳ và do đó bù sẽ được thực hiện với thời gian trễ của nó ít nhất một nửa chu kỳ Một vấn đề nữa là dòng điện trong cuộn dây sơ cấp tăng khi điện áp thứ cấp được tăng lên để bù cho lõm trong điện áp lưới, vì vậy chỉ có các bước nhỏ ở phía bên thứ cấp của biến áp được phép điều chỉnh và phải đảm bảo dòng điện tải là liên tục

 Bộ chuyển mạch tĩnh

Bộ chuyển mạch tĩnh (STS) bao gồm các chuyển mạch tĩnh ba pha, cấu tạo lần lượt của mỗi pha với hai thyristors nối song song ngược với nhau, như thể hiện trong hình 1.13, tài liệu [27,32]

Hình 1.13 Sơ đồ một dây công tắc chuyển tĩnh (STS) [27]

Tải nhạy cảm

Nguồn

Nguồn Nguồn MBA

Nguồn

Tải nhạy cảm

Tải nhạy cảm

MBA Nguồn

Các chuyển mạch bán dẫn

15

Mục đích của thiết bị này là để chuyển tải từ một nguồn chính sang một nguồn phụ tự động và nhanh chóng khi điện áp lõm xuất hiện từ phía nguồn chính và trong khi nguồn thứ hai có khả năng đáp ứng yêu cầu về công suất và chất lượng nhất định Trong quá trình hoạt động bình thường, nguồn chính cấp điện cho tải qua các bộ chuyển đổi thyristors 1, trong khi nguồn thứ hai được ngắt kết nối (bộ chuyển mạch 2 mở) Trong trường hợp xuất hiện các lõm điện áp hoặc bị gián đoạn trong nguồn chính, tải sẽ được chuyển từ nguồn chính đến nguồn dự phòng Phương pháp điều khiển để có được chuyển đổi tức thời của tải

có thể được thông qua

Tuy nhiên, sự kết nối song song giữa hai nguồn trong lúc chuyển đổi phải được tránh.Vì

lý do này, thời gian chuyển đổi có thể mất đến một nửa chu kỳ [17] Điều này có nghĩa là tải vẫn sẽ bị ảnh hưởng bởi lõm, nhưng thời gian của nó sẽ được giảm đến thời gian cần thiết để chuyển đổi tải từ nguồn chính đến nguồn thứ hai Nhược điểm của STS là nó không thể giảm nhẹ nguồn phát các lõm điện áp do các lỗi trong hệ thống truyền tải, trong khi các kiểu lõm thường ảnh hưởng đến cả nguồn chính và nguồn thứ hai Hơn nữa, nó liên tục dẫn dòng điện tải, dẫn đến tổn thất dẫn đáng kể

 Nguồn cung cấp liên tục (UPS)

Nguồn cung cấp liên tục (UPS), bao gồm một chỉnh lưu diode theo sau là bộ biến tần, như thể hiện trong hình 1.14, tài liệu [20,32] Bộ phận lưu trữ năng lượng thường là một acquy kết nối để liên kết DC Trong quá trình hoạt động bình thường (on line), nguồn điện đến từ nguồn cung cấp AC đã được chỉnh lưu và sau đó qua bộ biến đổi nghịch lưu trở thành nguồn xoay chiều trở lại cung cấp cho tải Acquy vẫn còn ở chế độ chờ và chỉ giữ điện áp DC - thanh cái không đổi Nếu một lõm điện áp hoặc gián đoạn xuất hiện, năng lượng được cung cấp bằng acquy giữ điện áp tại thanh cái DC không đổi Tùy thuộc vào dung lượng lưu trữ của acquy, nó có thể cung cấp cho tải một vài phút hoặc thậm chí vài giờ

Hình 1.14 Sơ đồ ba pha của UPS[20]

Vận hành đơn giản, các UPS là giải pháp cho tải có công suất và điện áp thấp Đối với các tải công suất cao hơn các chi phí liên quan với tổn thất do hai bộ chuyển đổi và bảo trì của acquy trở nên quá cao, do đó, UPS ba pha công suất cao là không khả thi về mặt kinh

tế

1.2.2 Giảm thiểu lõm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp động (DVR)

Đây là thiết bị được tạo ra với vai trò chủ yếu để bù lõm/dâng điện áp, thực hiện dựa trên ý tưởng là chèn vào một điện áp uinj(t) có biên độ, tần số và góc pha mong muốn vào giữa điểm kết nối chung PCC và tải, tài liệu [39,40,44,45, 62]

Qua kết quả nghiên cứu và so sánh đã chỉ ra, DVR là thiết bị có khả năng khôi phục điện áp trên tải nhạy cảm trước những ảnh hưởng của lõm điện áp có hiệu quả nhất vì những lý do:

- Cấu trúc liên kết nối tiếp với hệ thống có hiệu quả chống lại lõm điện áp

- Phản ứng bù có thể hỗ trợ trên tất cả các pha và có thể bù trong điều kiện lõm điện áp mất cân bằng và méo dạng

Nguồn

BBĐ _AC/DC BBĐ _DC/AC

Tải nhảy cảm

ES

hai công trình; ''Design and Experimentation of a Dynamic Voltage Restorer Capable of

Significantly Reducing an Energy-Storage Element'' và "An Approach to Eliminating DC Magnetic Flux From the Series Transformer of a Dynamic Voltage Restorer", trong các

công trình này đã đề cập đến cấu trúc các thành phần bộ khôi phục điện áp động (DVR), bao gồm các bộ biến đổi nối tiếp, song song kết nối kiểu back-to-back Đề cập đến hai cấu trúc của DVR có bộ biến đổi kết nối phía nguồn và DVR có bộ biến đổi kết nối phía tải Công trình củng đưa ra một phương pháp điều khiển để loại bỏ thành phần từ thông một chiều trong máy biến áp nối tiếp của DVR

a Dynamic Voltage Restorer'', tác giả đã tập trung thực hiện các thiết kế đối với các thành

phần của DVR, thiết kế bộ điều khiển vector cho thành phần thứ tự thuận phù hợp với các lõm điện áp cân bằng

Tác giả Krischonme Bhumkittipich*1 and Nadarajah Mithulananthan2, (2011), có bài

viết ''Performance Enhancement of DVR for Mitigating Voltage Sag/Swell using Vector

Control Strategy, tại hội nghị Energy Procedia 9 ( 2011 ), trong đó đã đề cập đến bộ điều

khiển cho DVR với phương pháp điều khiển vector trên hệ tọa độ dq với khâu PI, ở bài viết này đang dừng lại ở việc chỉ điểu khiển mỗi thành phần thứ tự thuận và chủ yếu chỉ phù hợp với lõm cân bằng (lõm chiếm tỉ lệ 13%)

Nhóm nghiên cứu gồm: Reshmi V, Mabel Ebenezer, Jayasree M.S, với công trình

"Mitigation of Voltage Sag, Harmonics and Voltage Unbalances Using Dynamic Voltage

Restorer", báo cáo tại hội nghị ''National Conference on Technological Trends'' (2009)

Nhóm tác giả đã đưa ra một giải pháp trong điều khiển để mở rộng khả năng của DVR ngoài việc bù lõm điện áp còn có thể bù hài với cấu trúc điều khiển được vận dụng bởi bộ điểu khiển PI, PR và bộ điều khiển lặp Tuy vậy với lõm không cân bằng ở đây nhóm tác giả cũng đang dừng lại với việc điều khiển mỗi thành phần thứ tự thuận, ngoài ra việc bổ sung chức năng bù hài của DVR điều quan trọng cần thiết phải cân nhắc kỷ lưởng không sẽ dẫn đến đặc tính động học trong khi bù của hệ thống bị chậm trể, đồng thời cần thiết phải xác định vị trí của DVR trên lưới điện để đưa ra quyết định có nên tăng thêm chức năng bù hài cho DVR hay không trong khi các bộ lọc hài tích cực thực hiện tốt vấn đề này

Ngoài những công trình nghiên cứu ở trên, các công trình nghiên cứu trong thời gian 5 năm trở lại đây đối với DVR trong việc giảm thiểu lõm điện áp để bảo vệ tải nhạy cảm được tác giả tìm hiểu và tổng hợp trong số 66 tài liệu được liệt kê ở mục tài liệu tham khảo

17

Tình hình nghiên cứu về DVR ở trong nước, theo tìm hiểu của tác giả cho thấy việc nghiên cứu DVR để giảm thiểu các biến cố điện áp và lõm điện áp ở Việt nam cho đến nay chưa có công trình nào được nghiên cứu và công bố

Những tìm hiểu sâu hơn về DVR thông qua những nghiên cứu trong và ngoài nước được tác giả phân tích tổng hợp đưa ra sau đây để làm cơ sở cho nghiên cứu tiếp theo trong luận án này

1.2.2.1 Nguyên tắc hoạt động của bộ khôi phục điện áp động

Ở hình 1.15 là ví dụ của một sơ đồ cấu trúc hệ thống lưới điện có kết nối DVR để bảo

vệ tải nhạy cảm, tài liệu [62]

Hình 1.15 DVR bảo vệ một tải nhạy cảm [62]

Giả sử một lỗi ngắn mạch xảy ra tại điểm A hình 1.15, điện áp tại A bị giảm xuống 0V, điện áp tại điểm B cũng sẽ bị giảm xuống khoảng 64% [62] Với điều kiện này chắc chắn bất kỳ tải nhạy cảm nào cũng sẽ bị ảnh hưởng với lõm điện áp Để đảm bảo cho tải nhạy cảm tiếp tục hoạt động, một DVR được lắp đặt tại điểm nối chung (PCC) Điện áp tại đường trục này sẽ được duy trì ở giá trị định mức do có sự hiện diện của DVR Điều này

có nghĩa là khi một lõm điện áp xảy ra, một bộ khôi phục điện áp lõm tự động phát hiện và bơm vào các thành phần điện áp để bù lại một phần hoặc toàn bộ lượng điện áp bị mất mát

do lỗi để duy trì độ lớn cũng như góc pha của điện áp lưới, đảm bảo cho tải hoạt động bình thường

Về cơ bản, DVR được thiết kế để tự động chèn vào một điện áp uinj vào lưới như thể hiện ở hình 1.16 Ở đây DVR có thể là đại diện như một nguồn áp với độ lớn, góc pha và tần số có thể được điều chỉnh, trong đó ug là điện áp lưới, uinj là điện áp chèn vào từ DVR

và uL là điện áp tải

Hình 1.16 Sơ đồ mô tả nguyên tắc hoạt động của DVR [32]

Tải thường

115kV 50Hz 115/22 kV

CB

Fault 0%

18

Hình 1.17 Đồ thị vector thể hiện nguyên lý chèn điện áp vào lưới điện của DVR để khôi phục điện áp tải trên đó Il là dòng điện tải,  là góc lệch pha giữa điện áp tải và dòng điện tải

Giả sử, một lõm điện áp xảy ra với độ lớn và một góc nhảy pha được xác định, nó biểu thị bằng vector ug,sag Khi đó, mục đích là để duy trì độ lớn của điện áp tải và ngăn chặn nhảy pha, DVR sẽ tính toán tạo ra một vector điện áp uinj với độ lớn, góc pha được xác định và chèn lưới Khi đó theo đồ thị vector, điện áp trên tải sẽ là: uL = ug,sag + uinj

Hình 1.17 Đồ thị vector thể hiện nguyên lý bù lõm của DVR [32]

Để có thể khôi phục cả độ lớn và góc pha của điện áp tải như điều kiện trước lỗi, ở đây, DVR phải chèn vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng, tài liệu [32] Giả sử điện áp và dòng điện tải trong điều kiện trước khi lỗi cả hai bằng 1pu, công suất được chèn vào bởi thiết bị trong giảm thiểu lõm điện áp là bằng, theo tài liệu [32]

) sin(

) cos(

( sin cos

) 1

( ) (

.

.

*

g

j j sag g l

sag g l l inj inj

jU U

j

e e U I

U U I U S

I U jQ P

S load  load load  l l  j   (1.5) Công suất tác dụng và công suất phản kháng được chèn vào,[32]

load sag

1 . (1.6)

load sag

1 . (1.7)

1.2.2.2 Vị trí của DVR trong hệ thống phân phối

Vị trí của các DVR được xác định ở một trong hai cấp, cấp phân phối MV hoặc cấp điện

áp thấp LV, cấp gần với các tải hạ áp Vị trí của DVR liên quan đến trở kháng, tổn thất trong DVR và cả giá thành của nó, tài liệu [27,39] Vì vậy, để có những tính toán chính xác các thông số và có thể giúp để đánh giá vị trí tốt nhất của một DVR ta xét một mô hình đơn giản của DVR kết nối lưới, như hình 1.18

Hình 1.18 Mô hình đơn giản một pha của DVR

DVR có thể được biểu diễn như là một nguồn áp lý tưởng (Uinj) với một thành phần điện kháng được đưa vào XDVR, đại diện chủ yếu cho các thành phần điện kháng các máy biến áp nối tiếp và các bộ lọc dòng, còn thành phần điện trở RDVR, đại diện cho tổn thất bên

19

trong DVR Giá trị của các trở kháng đưa vào có liên quan chặt chẽ đến giá trị điện áp DVR (UDV R) và công suất DVR (SDVR) theo tài liệu [39]

X DVR R

DVR Z DVR

Z DVR DVR

DVR DVR

R DVR DVR

DVR DVR

X DVR DVR

DVR DVR

ju u

u

u S

U Z

u S

U R

u S

U X

, ,

,

, 2

, 2

,

2

;

;

Một DVR ở vị trí mức điện áp thấp LV lên một vị trí mức điện áp cao hơn, giá trị điện kháng của DVR (uDV R,X) có xu hướng tăng, và giá trị điện trở (uDV R, R) có xu hướng giảm Điện trở DVR cao làm tổn thất năng lượng do bị tiêu tán trên DVR và các tổn hao liên quan đến tổn thất chung

Toàn bộ tổng trở DVR được chèn vào cao làm tăng lên khả năng biến dạng điện áp tải

và dao động điện áp tải nếu tải là phi tuyến hoặc tải có hành vi biến động

%100

, sup ,%

, sup ,

sup

4 0 , 4 0 / 10 10 , 10 / 50 ,

sup

before ply

DVR increa

before ply DVR

after ply

line line

before ply

Z

Z Z

Z Z Z

Z Z

Z Z

- Các trở kháng tăng lên được chèn vào với một DVR được xem như một tải LV là tương đối nhỏ nếu một DVR lớn được đặt ở cấp MV

- Các hệ thống phân phối ba dây không nối đất sẽ thuận lợi cho DVR chỉ điều khiển chèn vào điện áp thành phần thứ tự thuận và thứ tự ngược là đủ nên dẫn đến cấu trúc của DVR được đơn giản hơn

20

Các chi phí cho mỗi MVA để bảo vệ dự kiến sẽ thấp hơn nếu một DVR có vị trí ở trong những trung tâm như tải lớn so với một DVR chèn vào ở cấp điện áp thấp và phụ tải không tập trung

- DVR được kết nối đòi hỏi mức độ cách ly cao hơn và mức độ ngắn mạch cao hơn

 DVR được kết nối tại cấp điện áp thấp LV

Hình 1.20 minh họa một DVR kết nối ở vị trí cấp điện áp thấp ba pha bốn dây 400V Việc tăng trở kháng khi đưa vào một DVR công suất định mức nhỏ là đáng kể cho tải được bảo vệ từ các lõm điện áp, dẫn đến sự thay đổi phần trăm trong trở kháng Khi kết nối một DVR ở cấp LV có những lợi thế nhất định sau, tài liệu [39]

- DVR có thể được đáp ứng đúng mục tiêu cụ thể hơn cho các tải nhạy cảm với điện

áp lõm

- Mức độ ngắn mạch giảm đáng kể cho các biến áp phân phối và DVR dễ dàng hơn để bảo vệ

Những bất lợi khi kết nối DVR ở cấp LV

- Tăng trở kháng sau khi kết thúc chèn của DVR đối với tải được bảo vệ có thể lớn, dẫn đến một biến dạng của điện áp tải có thể tăng lên

- Các lõm điện áp với thành phần chuỗi thứ tự không có thể xuất hiện và để có thể bù thành phần này bằng việc thay đổi cấu trúc liên kết của DVR và lưới, đồng thời cần đưa ra các phương pháp điều khiển cho chuỗi các thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không trong hệ thống điều khiển, [39]

1.2.2.3 Cấu trúc chung của DVR

Cấu trúc của DVR được cấu thành từ các thành phần chính gồm máy biến áp nối tiếp,

bộ lọc đầu ra, bộ biến đổi và bộ lưu trữ năng lượng như được trình bày ở hình 1.21

Hình 1.21 Sơ đồ cấu trúc một pha gồm các thành phần chính của DVR [19]

 Máy biến áp nối tiếp: Tạo khả năng cách ly về điện giữa hệ thống DVR và lưới, đồng thời nâng điện áp chèn vào khi cần thiết Đơn giản hóa cấu trúc liên kết và bảo vệ thiết bị

VSC

Bộ lọc

Source

Tải NC

MBA chèn

Thyristor By-pass mechanically by-pass disconnection

 DC-link và bộ lưu trữ năng lượng: Có khả năng lưu trữ năng lượng và kết nối với VSC để có thể tạo ra điện áp xoay chiều cần thiết bù cho một biến cố lõm điện áp khi nó xảy ra

 Thiết bị by-pass: Bảo vệ cho các lỗi quá tải của DVR, hoặc lỗi ngắn mạch phía tải

 Thiết bị ngắt kết nối: Để đảm bảo ngắt kết nối DVR ra khỏi hệ thống khi cần thiết hoặc khi có các trường hợp khẩn cấp cần phải ngắt mạch để đảm bảo an toàn cho hệ thống DVR

1.3 Điều khiển DVR

Hệ thống điều khiển DVR có nhiệm vụ tạo ra giá trị điện áp chèn vào lưới uinj(t) để thỏa mãn mục tiêu điều chỉnh là khôi phục điện áp trên tải theo giá trị mong muốn để duy trì hoạt động cho tải nhạy cảm trong khi điện áp nguồn cấp bị lõm/dâng Cho đến nay các nghiên cứu về điều khiển DVR vẫn luôn hướng đến các mục tiêu chính đó là phục hồi điện

áp nhanh chống, chính xác và luôn làm việc ổn định trong trường hợp xảy ra biến cố ở trên lưới, ngoài ra các mục tiêu khác như điều khiển tối ưu năng lượng, điều khiển DVR với chức năng bù hài cũng được nghiên cứu Các cấu trúc và thuật toán điều khiển bộ khôi phục điện áp động đã được nghiên cứu và công bố trong nhiều công trình gần đây có thể kể đến như các công trình nghiên cứu trong các tài liệu [34, 57, 53, 51,62] Trong đó, có thể phân thành hai dạng điều khiển chủ yếu sau đây

 Điều khiển trong hệ thống tự nhiên

Đây là nhóm các cấu điều khiển dựa trên xử lý các giá trị tức thời của điện áp và dòng điện trên hệ tọa độ tự nhiên

 Điều khiển vector Đây là phương pháp điều khiển dựa trên nguyên lý vector không gian và được thực hiện trên hệ tọa độ quay dq tương tự như trong điều khiển động cơ điện xoay chiều

Ngoài ra một số phương pháp điều khiển khác như điều khiển tối ưu, điều khiển trượt, điều khiển nơron, điều khiển mờ hoặc điều khiển bền vững cũng được nghiên cứu nhưng đang ở mức độ đưa ra thuật toán và mô phỏng, cho đến nay chưa có áp dụng thực tế mang tính thuyết phục đối với đối tượng nối lưới như bộ khôi phục điện áp động

Sau đây sẽ trình bày tóm tắt các cấu trúc điều khiển đã được công bố và cài đặt ứng dụng trong phòng thí nghiệm và thực tế, để làm cơ sở nghiên cứu phát triển cấu trúc điều khiển cho bộ khôi phục điện áp động tiếp theo trong luận án này

1.3.1 Điều iển t ong ệ tọa độ t n i n

Việc điều khiển trên hệ tọa độ tự nhiên là phương pháp đã được lựa chọn trong điều khiển DVR Phương pháp thực hiện điều khiển điện áp và dòng điện theo từng pha riêng biệt, tài liệu [7,25,39,40,41]

 Điều khiển vô hướng Đó là phương pháp điều khiển liên quan đến việc tính trị hiệu

dụng của điện áp cơ bản mà điều này cần thiết ít nhất thời gian một nửa chu kỳ của thành phần cơ bản Hình 1.22 là sơ đồ khối một pha của điều khiển vô hướng được trình bày Các đầu vào đến bộ điều khiển là điện áp pha a tức thời của lưới (ua), được đưa vào khâu tính toán hiệu dụng để xác định giá trị hiệu dụng của điện áp lưới (Ua,s), sau đó được trừ bởi giá

22

trị đặt của điện áp tải (UaL*) Các tham số độ lớn của điện áp chèn vào thu được bằng cách nhân với 2 để có được độ lớn của điện áp chèn vào Để có lượng đặt của điện áp tải cần thiết phải có khâu dò pha để đảm bảo điện áp chèn vào đồng bộ với điện áp lưới [39]

Điều khiển vô hướng trên hệ thống tự nhiên hoạt động tốt trong trạng thái ổn định, nhưng nó làm chậm đặc tính động của DVR vì nó mất thời gian để tính toán RMS và chỉ có điện áp cơ bản có thể được điều khiển, trừ khi một thuật toán FFT được đưa vào và các thành phần hài được phát hiện.(FFT - Thuật toán biến đổi Fourier nhanh)

 Điều khiển vòng hở dựa trên sự so sánh điện áp lưới us với điện áp tải đặt uL* và trên

cơ sở này điện áp bộ biến đổi uinv được xác định, hình 1.23

Hình 1.23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vòng hở trên hệ thống tự nhiên

Giả thiết rằng, chúng ta sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ có hệ số khuếch đại ki, khi đó điện

áp bộ biến đổi bằng:

s L i

(1.10) Phương trình trạng thái của hệ thống điều khiển một pha có bộ điều khiển ki như sau

Hình 1.22 Sơ đồ cấu trúc điều khiển một pha của phương pháp

điều khiển vô hướng

f i f

i

inj f

f

f f f

inj f

u i u

C

L

k L

k u i

C

L L R

u

i dt d

*

0 1 0

1 0

1

0 1

1

(1.11)

Các giá trị của hệ thống là liên hợp phức và dao động có tần số góc

f f

n

C L

n

C R

2 1 0

 Điều khiển vòng kín là dựa trên nguyên tắc liên tục đo điện áp tải uL và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính lại giá trị của biến điều khiển uL sao cho bám giá trị điện

áp tải đặt uL* xem hình 1.24

Hình 1.24 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống kín

Cũng với giả thiết rằng, chúng ta sử dụng bộ điều khiển tỷ lệ có hệ số khuếch đại ki Điện áp bộ biến đổi khi đó được cho bởi công thức:

)( *L L

f

f i f

i

inj f

f

f f f

inj f

u i u

C

L

k L

k u i C

L

k L R u

i dt d

* 1

0 1 0

1 0

1

0 1

-24

f f

i n

C L

và chỉnh định bộ điều khiển để thỏa mãn tất cả các yêu cầu đặt ra là khó khăn, vì vậy cần phải kết hợp với các phương pháp điều khiển khác để cải thiện đặc tính của hệ thống

 Điều khiển có vòng hồi tiếp bổ sung từ dòng điện bộ biến đổi Trong phương pháp

này được bổ sung một vòng hồi tiếp âm từ dòng điện bộ biến đổi, hình 1.25 Ngoài chức năng cải thiện động học của hệ, mạch vòng điều khiển dòng điện còn góp phần hạn chế dòng điện và bảo vệ quá dòng cho VSC

Hình 1.25 Sơ đồ cấu trúc điều khiển có hồi tiếp âm từ dòng điện bộ biến đổi

Điện áp bộ biến đổi khi đó được xác định theo biểu thức

c f L L u

u ( ( * ) ) (1.18) Phương trình mô tả hệ thống điều khiển như sau

f

f c u f

c u

inj f

f

f

u c f

f c

inj f

u i u

C

L k k L

k k u i

C

L

k k L

R k

u

i dt d

*

0 1 0

1 0

1

0 1

1

(1.19)

Dao động có tần số

f f

u c n

C L

k k

f c

k k L

R k

-25

 Bộ điều khiển có vòng hồi tiếp âm kép Trong thành phần bộ điều khiển có hai

vòng hồi tiếp âm một là từ dòng điện tụ của tụ điện bộ lọc LfCf, hai là vòng điện áp chèn

uinj cùng với vòng hồi tiếp thẳng từ điện áp lưới us Sơ đồ hệ thống điều khiển được trình bày ở hình 1.26

Điện áp bộ biến đổi được xác định bởi:

))(

*

c L L u c s L

u      (1.22)

Hình 1.26 Cấu trúc điều khiển có các vòng hồi tiếp âm kép

ở đây us là điện áp nguồn, kc, ku là các hệ số khuếch đại của bộ điều khiển Phương trình

mô tả thuật toán điều khiển hệ

f

f

c u f c f

c u

inj f

f

f

u c f

f c

inj f

u i u

C

L

k k L

k L

k k

u i

C

L

k k L

R k

u

i dt d

*

0 1

0

1 1

0 1

v c

C L

f c

k k L

R k



 (1.25)

Cấu trúc điều khiển có khả năng ảnh hưởng lớn tới hệ số tắt dần và tần số riêng của hệ thống kín Cấu trúc có thể bù sụt áp trên điện cảm bộ lọc LC và cải thiện đặc tính động học của hệ thống nhanh hơn

 Điều khiển có hồi tiếp từ dòng ộ iến đổi v dòng tải

Hình 1.27 là cấu trúc điều khiển có các tính chất gần giống hệ thống có hồi tiếp từ dòng điện tụ điện bộ lọc LC, nhưng đòi hỏi đo lường hai dòng điện đó là dòng bộ biến đổi và dòng tải Cũng đòi hỏi sử dụng ba khâu tỷ lệ, tức là cần tính chọn ba tham số khuếch đại

mà điều này có ảnh hưởng phức tạp tới đặc tính tần số của hệ thống

+

-26

Điện áp pha bộ biến đổi được xác định

c f L i u L L

f

f

c u f

i c f

c u

inj f

f

f

u c f

f c

inj f

u i u C

L

k k L

k k L

k k u i C

L

k k L

R k u

i dt

d

*

0 1 0

0 1

1

(1.27)

Hình 1.27 Cấu trúc điều khiển có hồi tiếp dòng từ bộ biến đổi và dòng tải

Giống như trong trường hợp trước, dao động có tần số và hệ số tắt dần như sau:

c u

C L

k k

f c

k k L

R k



 (1.29)

Cấu trúc này thường áp dụng cho các hệ thống có bộ lọc về phía lưới và có khả năng bù ảnh hưởng của bộ lọc và máy biến áp chèn

Các cấu trúc điều khiển được thực hiện trong hệ tọa độ tự nhiên là khá linh hoạt vì thiết

kế điều khiển theo từng pha độc lập, với khả năng điều chỉnh dòng công suất tốt hơn, đặc biệt là trong các trường hợp không cân bằng Tuy nhiên các phương pháp điều khiển trên

hệ tọa độ tự nhiên cần thiết phải kết nối trung tính và khá phức tạp khi phải thực hiện trên

cả ba pha riêng biệt Mặt khác do các bộ điều khiển là tỷ lệ nên hệ thống là hữu sai

1.3.2 Điều iển v cto

Khác với các cấu trúc điều khiển trên hệ tọa độ tự nhiên, điều khiển vector được áp dụng cho DVR dựa trên nguyên lý điều khiển vector không gian tương tự như đã được áp dụng trong điều khiển động cơ điện trình bày trong các tài liệu [1,3,25,39,40,41,62] Đại diện cho phương pháp điều khiển này đối với DVR có thể kể đến cấu trúc điều khiển vector trên hệ tọa độ quay dq

i f

ki

-