MỘT số THIẾT bị bù CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG điều CHỈNH điện áp TRONG lưới điện PHÂN PHỐI

Các phần tử của HTĐ được chia thànhhai nhóm: - Các phần tử lực: bao gồm các phần tử làm nhiệm vụ sản xuất, biếnđổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát điện, đường dâ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ LƯỚI PHÂN PHỐI

1.1 Lưới điện phân phối

Hệ thống điện (HTĐ) là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sảnxuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng Các phần tử của HTĐ được chia thànhhai nhóm:

- Các phần tử lực: bao gồm các phần tử làm nhiệm vụ sản xuất, biếnđổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát điện, đường dâytải điện và các thiết bị dùng điện

- Các phần tử điều khiển: bao gồm các phần tử làm nhiệm vụ điềukhiển, điều chỉnh trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ,điều chỉnh tần số, điều chỉnh điện áp, bảo vệ rơle, tự động hóa

1.2 Ảnh hưởng của điện áp trong hoạt động của lưới điện

1.2.1 Ảnh hưởng chung của lưới điện

Điện áp là một chỉ tiêu quan trong hàng đầu để đánh giá chất lượngđiện năng cung cấp Thực tế cho thấy chất lượng cung cấp điện bị ảnh hưởngđáng kể bởi chất lượng điện áp cung cấp cho khách hàng, nó bị tác động bởicác thông số trên đường dây khác nhau Có thể có các dạng như: sự biến đổidài hạn của điện áp so với điện áp định mức, điện áp thay đổi đột ngột, nhữngxung dốc dao động hoặc điện áp ba pha không cân bằng Hơn nữa tính khôngđồng đều như tần số thay đổi, sự không tuyến tính của hệ thống hoặc trởkháng phụ tải sẽ làm méo dạng sóng điện áp, các xung nhọn do các thu lôisinh ra cũng có thể được lan truyền trong hệ thống cung cấp Các trường hợpnày được mô tả trong Hình 1.2

1) Độ lệch điện áp tại phụ tải

Là giá trị sai lệch giữa điện áp thực tế U trên cực của các thiết bị điện

so với điện áp định mức Un của mạng điện và được tính theo công thức:

n n

U - U

U

2) Độ lệch điện áp trong lưới hạ áp

Lưới phân phối hạ áp cấp điện trực tiếp cho hầu hết các thiết bị điện.Trong lưới phân phối hạ áp các thiết bị điện đều có thể được nối với nó cả vềkhông gian và thời gian (tại bất kỳ vị trí nào, bất kỳ thời gian nào) Vì vậy trongtoàn bộ lưới phân phối hạ áp điện áp phải thỏa mãn tiêu chuẩn: ν- ≤ ν- ≤ ν+

3) Diễn biến của điện áp trong lưới phân phối

Phân tích lưới phân phối với cấu trúc như hình vẽ sau:

Hình 1.4 Diễn biến của điện áp trong lưới phân phối

4) Ảnh hưởng của điện áp đến sự làm việc của phụ tải

1- Đối với động cơ:

Mô men của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp Uđặt vào động cơ Đối với động cơ đồng bộ khi điện áp thay đổi làm cho

momen quay thay đổi, khả năng phát công suất phản kháng của máy phát vàmáy bù đồng bộ giảm đi khi điện áp giảm quá 5% so với định mức Vì vậy bất

kỳ sự thay đổi điện áp nào cũng tác động không tốt đến sự làm việc của cácđộng cơ

2 Đối với thiết bị chiếu sáng

Hình 1.5 Đặc tính của đèn sợi đốt

3 Đối với nút phụ tải tổng hợp

Khi thay đổi điện áp ở nút phụ tải tổng hợp bao gồm các phụ tải thànhphần thì công suất tác dụng và phản kháng do nó sử dụng cũng biến đổi theođường đặc tính tĩnh của phụ tải, hình 1.10

0

P, Q

U

Q P

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của P, Q vào điện áp

4 Đối với hệ thống điện

Sự biến đổi điện áp ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật của hệ thốngđiện Điện áp giảm sẽ làm giảm công suất phản kháng do máy phát điện vàcác thiết bị bù sinh ra Đối với máy biến áp, khi điện áp tăng, làm tăng tổn

thất không tải, tăng độ cảm ứng từ trong lõi thép gây phát nóng cục bộ Khiđiện áp tăng quá cao có thể chọc thủng cách điện

1.3.Những giải pháp điều chỉnh điện áp thông dụng

1 Điều chỉnh điện áp máy biến áp bằng cách điều chỉnh đầu phân áp cố địnhhoặc bằng thiết bị tự động điều áp dưới tải

2 Điều chỉnh điện áp trên đường dây tải điện bằng máy biến áp điều chỉnh vàmáy biến áp bổ trợ

3 Sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng

Trong các phương pháp trên chúng ta thấy rằng việc điều chỉnh điện ápđầu ra của máy biến áp hay sử dụng các máy biến áp bổ trợ là phương pháptruyền thống được sử dụng từ lâu Tuy nhiên nó chỉ có hiệu quả điều chỉnh ởmột mức độ nào đó, nghĩa là phạm vi điều chỉnh hẹp, trong nhiều trường hợp

nó không đáp ứng được yêu cầu đối với nhiều nút phụ tải trên lưới Trong khi

đó phương pháp điều chỉnh điện áp bằng cách bù công suất phản kháng có thểđiều chỉnh rộng và linh hoạt hơn, vì thế nó đang được tập trung nghiên cứu để

áp dụng những công nghệ bù CSPK mới vào trong lưới điện

1.4 Kết luận chương 1

Qua phân tích ở trên cho thấy: giá trị điện áp nút trong lưới phân phối

là một trong những thông số cơ bản và đặc biệt quan trọng, là một trongnhững thông số được tính chọn ngay từ giai đoạn thiết kế Tùy theo các tiêuchí đề ra mà điện áp nút được chọn một giá trị khác nhau, không nhất thiếtbằng giá trị định mức mà có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn Mặt khác, trong vậnhành, tùy theo mỗi kịch bản mà điều độ hệ thống yêu cầu thì giá trị điện ápnút sẽ được điều chỉnh lại Nói một cách dễ hiểu là điều chỉnh điện áp nút làbài toán phải quan tâm triệt để trong hoạt động của hệ thống điện Đối vớimạng điện phân phối, điều chỉnh điện áp nút còn có thêm ý nghĩa cho vấn đềnâng cao chất lượng điện năng – đáp ứng đòi hỏi của tải khách hàng, và giảmcác tổn thất trong mạng điện – nâng cao tính kinh tế cho phía người bán điện,

giảm áp lực cho nguồn cung cấp Tóm lại, điều chỉnh điện áp nút mang lại lợiích to lớn cho xã hội

Việc điều chỉnh điện áp có thể được điều chỉnh bằng nhiều phươngpháp và các thiết bị khác nhau Đầu tiên là phải kể tới phương pháp bù tựnhiên hay điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp, nhưng trong phạm nghiên cứu

ta không xét tới hai phương pháp này vì xem như nó đã thực hiện hết khảnăng Tiếp theo là kể đến các phương pháp bù (điều chỉnh điện áp) nhân tạothực hiện bằng các bộ biến đổi điện tử kết hợp với thiết bị bù cuộn cảm hay tụđiện tĩnh Không xét các trường hợp bù sử dụng máy điện quay (máy bù đồngbộ) Lịch sử phát triển các thiết bị bù có điều khiển thông qua thiết bị điện tửđến nay có khá nhiều thế hệ và ngày càng tỏ rõ ưu việt vượt trội Ban đầu,công suất bù được điều chỉnh thông qua điều chỉnh giá trị dòng điện bù nhờcác bộ biến đổi có chất lượng không cao, dòng bù không sin nên hiệu quả bùthấp Mặt khác, dòng phía lưới cũng không sin làm ô nhiễm lưới (ô nhiễmsóng hài) ảnh hưởng lớn đến các hoạt động của lưới điện trên một phạm virộng Phạm vi của đề tài chỉ tập trung nghiên cứu các thiết bị bù trong lướiphân phối nhằm nâng cao chất lượng bù mà thiết bị bù là có sử dụng bộ biếnđổi cho việc điều chỉnh dòng bù

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ĐIỀU CHỈNH

ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 2.1 Tổng quan về thiết bị bù công suất

Vào năm 1980 khi ra đời hệ FACTS (Flexible Alternating CurrentTransmission System), một loại các thiết bị bù công suất nhằm sửa lỗi cục bộ

đã trở thành một cách mạng kỹ thuật để giải quyết bài toán cân bằng côngsuất một cách triệt để trên phạm vi toàn hệ thống, giảm nhẹ áp lực cho máyphát, nâng cao độ ổn định hệ thống Các thiết bị bù trong FACTS có rất nhiềuloại và cách phân biệt khác nhau Trong đó, phân biệt rõ nhất là theo cách đấunối : nhóm mắc nối tiếp , nhóm mắc song song , nhóm mắc hỗn hợp

• Nhóm mắc nối tiếp:

• Nhóm mắc song song :

• Nhóm mắc hỗn hợp :

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong FACTS

1- Thiết bị bù nối tiếp

Nguyên lý truyền tải điện năng trên đường dây có thể được trình bàydựa trên trên sơ đồ hình 2.1 và hình 2.2

Hình 2.1 Quá trình truyền tải điện năng trên đường dây

Trong đó:

- VS và ϕS là điện áp và góc pha của nguồn,

- Vr và ϕr là điện áp và góc pha của hộ tiêu thụ,

Do đường dây có điện kháng XL nên sau khi truyền tải một khoảngcách thì điện áp Vs và Vr sẽ lệch nhau một góc δ

 Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC).

Sơ đồ cấu trúc của một TCSC được mô tả như trên hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của TCSC

 Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc nối tiếp ( SSSC).

Cấu trúc của SSSC bao gồm bộ VSI, tụ điện một chiều, máy biến áp kếtnối SSSC kết nối nối tiếp vào hệ thống điện như trên hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của SSSC

2- Các thiết bị bù song song

Những ứng dụng của các thiết bị này trong truyền tải, phân phối vàmạng công nghiệp :

- Giảm nhỏ dòng công suất phản kháng không mong muốn và do đógiảm thiểu được tổn thất trong mạng

- Bù cho tải tiêu thụ và nâng cao chất lượng điện năng đặc biệt là vớinhững phụ tải có yêu cầu cao về độ dao động như máy công nghiệp, nhà máynung thép, hay hệ thống xe điện ngầm,

- Tăng khả năng ổn định tĩnh và ổn định động

 Bộ bù tĩnh SVC (Static Var Compensators )

SVC là thiết bị bù song song, sử dụng thyristor để đóng cắt tụ điện tĩnh,cảm kháng kết nối với đường dây như trên hình 2.7

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc và đặc tính hoạt động của SVC

 Bộ bù đồng bộ tĩnh Statcom

Statcom là thiết bị bù song song dựa trên nguyên tắc hoạt động của bộnghịch lưu nguồn áp VSI Cấu trúc của mạch lực Statcom bao gồm máy biến

áp kết nối, bộ nghịch lưu nguồn áp VSI, tụ điện một chiều

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc và đặc tính hoạt động của Statcom

Trên thực tế có hai loại Statcom được phân loại theo công nghệ VSI sử dụngtrong Statcom Đó là Statcom thông thường và PWM Statcom

Nguyên lý hoạt động của Statcom như sau:

Statcom hoạt động ở hai chế độ được thể hiện ở sơ đồ trên hình 2.9

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý làm việc của Statcom

2.1.2 Nhận xét:

Trên đây đã cho thấy một bức tranh khá đầy đủ về chức năng và đặcđiểm của các thiết bị bù công suất nói chung và bù CSPK nói riêng trong hệFACTS Theo mục tiêu của luận văn là nâng cao chất lượng cho thiết bị điềuchỉnh điện áp trong lưới phân phối ta chọn đối tượng nghiên cứu thuộc nhómthiết bị nối song song là hợp lý hơn cả Bởi lẽ:

- Kết nối thiết bị với lưới đơn giản, các đóng cắt không bẻ gẫy cấutrúc lưới

- Vị trí kết nối linh hoạt, phù hợp cho bù phân tán

- Dung lượng bù tùy chọn theo thiết kế

Tuy nhiên, trong phạm vi cho phép của luận văn tác giả chỉ giới hạnnghiên cứu xây dựng một thiết bị bù CSPK dựa trên nền tảng cấu trúc củachỉnh lưu tích cực PWM có khả năng trao đổi CSPK với lưới theo hai chiềuAC/DC/AC có tên gọi là BDPC (BiDirectional Power Converter) So sánh vớithiết bị SVC và Statcom

2.2 Xây dựng cấu trúc mạch lực thiết bị BDPC - BESS

2.2.1 Giới thiệu chung

- Thiết bị điện tử công suất PCS (power conditioning system), trongtrường hợp này sử dụng bộ biến đổi công suất hai chiều (đôi khi gọi là biếntần 4Q), cụ thể hơn là bộ chỉnh lưu PWM cầu ba pha IGBT-Diode;

- Kho tích trữ năng lượng dùng ác quy Những trường hợp khác có thểdùng siêu tụ hay kho từ bằng các cuộn cảm siêu dẫn…

Cấu trúc mạch lực BESS được mô tả trên hình 2.14

Hình 2.8 Cấu trúc mạch lực của BESS

2.2.2 Bộ biến đổi công suất

2.2.3 Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất

2.2.4 Kho trữ năng lượng một chiều

2.3 Mô hình bộ biến đổi BDPC-BESS trong lưới điện phân phối

Từ sơ đồ hình 1.1, nếu tách riêng ta có thể được mô tả lưới phân phối vớidạng đơn giản nhất như sơ đồ hình 2.22, trong đó có thêm kết nối của thiết bịBDPC-BESS

Từ hình 2.23, có thể coi BDPC như một nguồn áp tại điểm kết nối PCCvới mạch điện điện ba pha như hình 2.24a, bộ biến đổi BESS được mô tả nhưhình 2.24b [25],[27]

Hình 2.10

a) Thay thế BDPC như một nguồn áp tại PCCi

b) Cấu trúc bộ biến đổi BDPC

(2.6)suy ra:

2.4.1 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển

2.4.2 Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp

a α

b c

2.4.3 Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS

2.4.4 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS

2.4.5 Cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI

Từ mô hình BDPC-BESS ta viết hệ phương trình mạch vòng dòng điện

trong hệ tọa độ quay dq:

dt

ωω

2.4.6 Bộ điều chỉnh kiểu Dead-Beat

Bộ điều chỉnh dòng điện được thiết kế có cấu trúc PI ở trên triệt tiêuđược sai lệch tĩnh, tuy nhiên thời gian đáp ứng chậm Để cải thiện thời gianđáp ứng hệ thống và vẫn đảm bảo được chất lượng hệ thống, luận án đưa raphương pháp thiết kế bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat (thực chất đây chỉ làmột trường hợp riêng của phương pháp điều khiển đáp ứng hữu hạn [13]), nộidung phương pháp được trình bày như sau:

Phương trình (2.21) có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng tháinhư sau:

Trong đó: i Bd , i Bq là các biến trạng thái

2.4.7 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC

2.4.8 Bộ điều khiển công suất tác dụng

+ Trong hệ tọa độ abc:

Chương 2 đưa ra mô hình cấu trúc lưới phân phối có kết nối BDPC và

điều khiển hệ BDPC được xây dựng trong hệ tọa độ dq thông qua phép

chuyển hệ tọa độ Điều này rất thuận lợi cho việc thiết kế các bộ điều chỉnh

do các đại lượng dòng điện và điện áp trong hệ toạ độ này là các thành phầnmột chiều Đầu ra bộ điều chỉnh dòng là lượng đặt cho khâu điều chế vectorkhông gian SVM phát xung điều khiển các van bán dẫn nhằm đạt được chấtlượng đầu ra cao nhất của bộ biến đổi công suất Đặc biệt, chế độ nghịch lưuđảm bảo cho điện áp là gần sin nhất, không lẫn sóng hài – Đây là yếu tố quantrọng nhất để xác nhận cho BDPC có khả năng điều chỉnh điện áp với chấtlượng cao

Nhiệm vụ chính của đề tài đã được giải quyết tại chương 2 là thiết kếđược bộ điều chỉnh dòng theo hai phương pháp khác nhau theo kiểu PI vàkiểu Dead-Beat Đồng thời, thiết kế một số các Bộ điều chỉnh vòng ngoàithực hiện chức năng công nghệ của hệ BDPC, nhằm đạt được một cấu hìnhBDPC hoàn chỉnh áp dụng cho lưới phân phối:

- Bộ điều khiển điện áp tại điểm kết nối chung PCC, bù công suất phảnkháng để nâng cao chất lượng điện áp

- Mặt khác, bộ điều khiển công suất tác dụng, điều khiển quá trìnhphóng/nạp năng lượng của ắc quy, hỗ trợ lưới trong giờ cao điểm;

Đầu ra bộ điều chỉnh vòng ngoài là lượng đặt cho bộ điều chỉnh dòngđiện

Tiếp theo sang chương 3, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết thôngqua mô phỏng bằng Matlab-Symulink

CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH

ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 3.1 Mô phỏng hoạt động của BDPC trong lưới điện phân phối

Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu PI

Hình 3 4 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu PI

Khối điều khiển có bộ điều khiển dòng theo kiểu D-B, sơ đồ cấu trúc như sau, hình 3.5

Hình 3 5 Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B

Hình 3 6 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu D-B

3.1.3 Kết quả mô phỏng

Những giả thiết:

Giá trị điện áp tính trong hệ đơn vị tương đối (pu),

Tổng thời gian mô phỏng 1,6s,

Điện áp phía nguồn thay đổi theo kịch bản U* có số liệu như sau:

Các kết quả mô phỏng thu được:

Khi chưa các tác động của BDPC, điện áp đo được trên lưới tại điểm PCC2 như hình 3.6 Quan sát ta thấy có lượng sụt áp nhỏ trên đường dây 2 km từ đầu nguồn đến PCC2

Hình 3.7 Điện áp lưới phía tải đo tại PCC2 khi không có BDPC

Khi có tác động của BDPC, CSPK được BDPC phát hay hấp thu tùy theo điện

áp giảm hay tăng như hình 3.7 nên đã điều chỉnh giá trị điện áp bám theo giá trị định mức U* ≈ 1, hình 3.8 và hình 3.9

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0

Hình 3.10 Điện áp lưới phía tải đo tại PCC2 khi có BDPC

Dòng điện bù của BDPC trong các chế độ phát hay hấp thu CSPK luôn đảm bảo sin, hình 3.10

0,93 dòng điện chuyển sang vượt trước điện áp 90 độ tương ứng với chế độ BDPC phát CSPK (dung kháng) Kết quả mô phỏng chỉ ra trên hình 3.11

0.78 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 -1

Hình 3.12 Điện áp và dòng điện bù của BDPC

Đánh giá chất lượng điện năng, dòng và áp của BDPC thông qua phân tích FFT trong Matlab cho thấy tiêu chuẩn IEEE-519 luôn được đảm bảo, THD = 3,71% (nhỏ hơn 5%)

3.2 Mô phỏng hoạt động của SVC trong lưới điện phân phối