TỔ NG QUAN V Ề BÙ COSPHI TRONG H Ệ TH Ố NG TRUY Ề N TẢI ĐIỆN
Đặc điể m tiêu th ụ điệ n c ủ a ph ụ t ả i công nghi ệ p công su ấ t l ớ n
1.1.1 Các thi ế t b ị độ ng l ự c công nghi ệ p
Các động cơ quạt máy, khí nén và máy bơm thường hoạt động ở chế độ dài hạn với công suất từ 1 đến hàng nghìn KW, sử dụng điện áp từ 0,25 đến 10 KV Đặc biệt, những động cơ có công suất lớn thường có phụ tải tương đối bằng phẳng và thường là hệ thống ba pha với hệ số công suất từ 0,80 đến 0,85 Trong khi đó, các thiết bị nâng hạ vận chuyển hoạt động ở chế độ ngắn hạn lặp lại có hệ số công suất từ 0,3 đến 0,8 và có thể sử dụng điện áp xoay chiều hoặc một chiều.
Phụ tải chiếu sáng thường là thiết bị một pha với công suất nhỏ và ít biến đổi, nhưng lại phụ thuộc vào thời gian và mùa trong năm Trong nhiều trường hợp, việc ngừng cung cấp điện để sửa chữa là cần thiết, tuy nhiên, ở những khu vực sản xuất và thành phố, việc mất điện lâu là không thể chấp nhận được.
1.1.3 Các thi ế t b ị bi ến đổ i
Các thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều hoặc dòng ba pha với tần số khác 50Hz bao gồm máy phát, động cơ, bán dẫn và bộ biến tần.
Dùng trong ngành công nghệ luyện kim, các thiết bị này dùng điện áp một chiều, làm việc chế độ dàihạn có hệ số công suất từ (0,85 đến 0,9)
Dùng cho giao thông vận tải trong các xí nghiệp như cần trục, cầu trục có phụ tảiđỉnh nhọn
1.1.4 Các động cơ truyền độ ng máy gia công
Là thiết bị thông dụng, có dải công xuất thông dụng từ vài đến hàng trăm
Động cơ KW có nhiều kiểu khác nhau, chủ yếu là động cơ KĐB 3 pha với điện áp định mức 220V, 380V và 660V Hệ số công suất của động cơ này dao động trong phạm vi rộng, phụ thuộc vào quy trình công nghệ Đối với một số máy yêu cầu tốc độ quay lớn, cần điều chỉnh bộ biến đổi Nhìn chung, các thiết bị này thuộc hộ loại 2, trong khi một số ít thuộc loại 1.
1.1.5 Các lò điệ n và thi ế t b ị nhi ệ t
Lò điện trở: Hệ số công suất gần bằng 1 bao gồm các loại: Lò phản ứng, lò hồ quang, lò hỗn hợp.
Thiết bị nhiệt: Thiết bị ra nhiệt điện từ, thiết bị ra nhiệt điện trở, các bộ gia nhiệt
Các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại thường có hệ số công suất thấp, như máy hàn hồ quang với hệ số từ 0,3 đến 0,35 và máy hàn tiếp xúc có hệ số từ 0,4 đến 0,7.
Bù công su ấ t ph ả n kháng cho ph ụ t ải trong lưới điệ n công nghi ệ p
1.2.1 Khái quát v ề công su ấ t ph ả n kháng
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng sau (hình 1-1):
Hình 1.1: Mạch điện đơn giản (mang tính cảm) RL
CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện.
1.2.2 Ngu ồ n phát sóng công su ấ t ph ả n kháng
1.2.2.1 Các nguồn phát công suất phản kháng
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện thường bị hạn chế, với hệ số công suất (cosφ) dao động từ 0,8 đến 0,9 hoặc cao hơn Do lý do kinh tế, các máy phát không được thiết kế để cung cấp nhiều công suất phản kháng cho phụ tải, mà chỉ đảm nhận một phần công suất phản kháng cần thiết Phần công suất phản kháng còn lại được bù đắp bởi các thiết bị khác Trong lưới phân phối, nguồn phát công suất phản kháng chính vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù đồng bộ.
1.2.2.2 Ưu điểm, nhược điểm của các nguồn công suất phản kháng
+ Giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây…)
+ Giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải
+ Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp.
Vì vậy, ta cần có biện phápbù cos φ để hạn chế ảnh hưởng của nó Cũng tức là ta nâng cao hệ số công suất phản kháng cosφ
Trong thực tếcông suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu về kinh tế và kỹ thuật:
Chúng ta phải chi trả tiền điện cho công suất phản kháng tiêu thụ, mặc dù thực tế nó không mang lại lợi ích gì cho kinh tế.
- Về kỹ thuật: Công suất phản khánglà nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt áp và tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền tải điện năng.
1.2.3 Ý nghĩa củ a vi ệ c bù công su ấ t ph ả n kháng
1.2.3.1 Giảm tổn thất công suất và điện năng trên tất cả các phần tử (đường dây và máy biến áp)
Từ công suất tổn thất côngsuất trên đường dây truyền tải:
𝜑 = 𝑎𝑐𝑡𝑎𝑔 𝑄 𝑃 (1.1) Năng cosφ thì φ giảm với P không đổi thì Q giảm:
Tổn hao công suất bao gồm hai thành phần: một phần không thể giảm do công suất tác dụng và một phần có thể giảm do công suất phản kháng Khi giảm công suất phản kháng (Q), sự thay đổi áp suất (∆P(Q)) cũng sẽ giảm, dẫn đến sự giảm của ∆P và ∆A.
Hệ quả là giảm tổn hao công suất dẫn đến giảm tổn thất điện năng hay nói cách khác là giảm tiền điện
1.2.3.2 Giảm tổn thấy điện áp trong mạng điện
Từ công suất tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải:
Để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ và các thiết bị tiêu thụ điện, cần chú ý đến ảnh hưởng của công suất phản kháng Khi đường dây quá xa thiết bị, điện áp cuối đường dây thường bị sụt giảm, gây khó khăn cho hoạt động của các thiết bị điện, dẫn đến tình trạng quá nhiệt và nguy cơ cháy nổ Do đó, việc bù lại hệ số công suất cosphi là cần thiết để giảm thiểu những vấn đề này.
1.2.3.3 Tăng khảnăng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp
Công thức I = √P √3.U² + Q² cho thấy rằng trong cùng một điều kiện phát nóng của đường dây và máy biến áp (I là hằng số), khả năng truyền tải công suất tác dụng có thể được tăng cường bằng cách giảm công suất phản kháng.
Tăng hệ số công suất cosφ không chỉ giảm chi phí kim loại màu mà còn góp phần ổn định điện áp, nâng cao khả năng phát điện của máy phát, giảm giá thành tiền điện, tăng cường độ dự trữ ổn định cho hệ thống và giảm tổn thất, từ đó tối ưu hóa các thành phần cung cấp điện.
Thi ế t b ị bù công su ấ t ph ả n kháng SVC
1.3.1.1 Khái quát về bù công suất phản kháng SVC
Tụ bù tĩnh (SVC - Static VAR Compensator) là thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng, hoạt động nhanh chóng trên lưới điện truyền tải điện áp cao, giúp cải thiện chất lượng điện năng và ổn định hệ thống điện.
SVC, hay Bộ điều chỉnh điện áp tĩnh, là một thiết bị thuộc nhóm FACTS (các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) được sử dụng để điều chỉnh điện áp và nâng cao khả năng ổn định cho hệ thống điện Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý tĩnh, tức là sử dụng các thiết bị điện tử công suất thay vì các máy cắt và dao cách ly, nhằm tối ưu hóa các thông số hoạt động của hệ thống.
Trước khi phát minh ra SVC, người ta phải sử dụng các máy phát điện cỡ lớn hay tụ đồng bộ để bù công suất phản kháng.
SVC (Static Var Compensator) là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được thiết kế để điều chỉnh điện áp tại các nút SVC và kiểm soát công suất phản kháng Khi hệ thống có quá nhiều công suất phản kháng hoặc điện áp tại nút vượt quá giới hạn cho phép, SVC hoạt động như các kháng bù ngang, tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống và giảm điện áp tại nút điều chỉnh Điều này được thực hiện thông qua việc điều chỉnh góc mở của thyristor, với hai thành phần cơ bản cấu thành nên thiết bị.
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành).
Thành phần điều khiển trong hệ thống bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc với cực điều khiển, cùng với hệ thống điều khiển góc mở sử dụng các bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16F877 và VAR.
Khi hệ thống thiếu công suất phản kháng, các tụ bù ngang sẽ tự động được đóng vào, giúp bơm thêm công suất phản kháng vào hệ thống và cải thiện điện áp tại các nút.
SVC thường được lắp đặt ở những vị trí có tải thay đổi nhanh chóng, chẳng hạn như lò điện, nhằm mục đích ổn định và làm mượt dao động điện áp.
Sơ đồ cấu trúc SVCđược thể hiện trên hình 1.2
Hình 1.2: Cấu trúc và nguyên lý làm việc của SVC
SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chứcnăng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
Bộ tụ đóng mở bằng thyristor (TSC) là giải pháp hiệu quả cho việc điều chỉnh công suất mà không cần sử dụng các phương tiện điều khiển phức tạp Các chức năng chính của SVC bao gồm việc cải thiện chất lượng điện năng và ổn định điện áp trong hệ thống.
- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột
- Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành hệ thống điện như:
+ Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
+ Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
+ Giảm góc làm việc δlàm tăng cường khả năng vận hành của đường dây. + Giảm tổn thất công suất và điện năng. b Nguyên tắc hoạt động
Một SVC (Static Var Compensator) bao gồm các tụ bù ngang được điều chỉnh riêng biệt và kết nối với cuộn dây điện cảm, có thể có hoặc không có lõi sắt, được điều khiển bằng thyristor Việc thay đổi góc dẫn của thyristor cho phép điện kháng đẳng trị của SVC thay đổi liên tục, giúp công suất phản kháng của lưới điện có thể được điều chỉnh một cách linh hoạt Cấu trúc này cho phép các tụ điện thực hiện điều chỉnh thô, trong khi các TCR (Thyristor Controlled Reactor) điều chỉnh giá trị cảm kháng, dẫn đến giá trị điện kháng đẳng trị liên tục Để tăng tính linh hoạt và mượt mà trong điều chỉnh, có thể sử dụng bộ tụ điện điều khiển bằng thyristor hay TCCS (Thyristor Controlled Capacitor Switching).
Thyristor là thiết bị điều chỉnh tĩnh bằng điện, hoạt động tương tự như các thiết bị bán dẫn khác Do quá trình hoạt động, thyristor phát sinh nhiệt, vì vậy nước đã khử ion được sử dụng để làm mát chúng.
Các tải cảm kháng trong mạch điện có thể làm biến đổi dạng sóng điều hòa của điện áp Để khắc phục điều này, các bộ lọc sóng điện tử công suất lớn được sử dụng nhằm làm trơn sóng điện áp Những bộ lọc này có tính dung, từ đó cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện.
Các thiết bị SVC được lắp đặt tại những vị trí cần điều chỉnh điện áp chính xác, thường sử dụng bộ điều khiển phản hồi (Closed-Loop) Việc điều chỉnh điện áp có thể thực hiện từ xa thông qua hệ thống SCADA hoặc bằng tay theo giá trị đã được thiết lập.
SVC không hoạt động trực tiếp ở điện áp đường dây mà thường được kết nối qua máy biến áp tăng áp, chuyển đổi điện áp cao (ví dụ 230 KV) xuống điện áp thấp hơn (ví dụ 9,5 KV) Việc giảm điện áp làm việc của SVC giúp giảm kích thước và số lượng thiết bị, chủ yếu do các bộ tụ bù ngang có điện áp làm việc thấp Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc cuộn dây điện cảm phải có kích thước lớn hơn để chịu được dòng điện lớn.
Các van thyristor của SVC có dạng hình đĩa, với đường kính hàng inch, do đó, chúng thường được đặt trong nhà. d Lợi ích
SVC mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với tụ bù cơ khí, đặc biệt là khả năng phản ứng gần như tức thì với sự thay đổi điện áp trong hệ thống Điều này giúp SVC hoạt động hiệu quả hơn gần nút điều chỉnh, tối ưu hóa khả năng điều chỉnh khi cần thiết Về mặt kinh tế, SVC thường có chi phí thấp hơn, dung lượng lớn hơn, tốc độ điều chỉnh nhanh hơn và độ tin cậy cao hơn so với các thiết bị bù khác như máy bù đồng bộ.
1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ Thyristor mắc song song ngược a Nguyên lý hoạt động của bộ Thyristor mắc song song ngược
* Trường hợp tải thuần trở:
Khi T1 được kích hoạt, một nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn được áp dụng lên mạch tải Ngược lại, khi T2 được mở, một phần của nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn sẽ được đưa vào mạch tải.
Góc mở 𝜃được tính từ điểm đi qua trị zêzo của điện áp nguồn. it = √2U R sinθ (1.5)
Dòng điện tải không có dạng sóng hình sin, do đó cần khai triển Fourier để phân tích nó thành thành phần sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao Thành phần sóng cơ bản của dòng điện tải i (1) có độ lệch pha so với điện áp nguồn một góc , được thể hiện rõ ràng trong đồ thị hình 1.4.
M ộ t s ố nghiên c ứ u v ề điề u khi ể n SVC bù công su ấ t ph ả n kháng trong h ệ
1.4.1 Nghiên c ứ u, thi ế t k ế , ch ế t ạ o thi ế t b ị bù cosφ kế t h ợ p l ọ c sóng hài Đề tài [3] được nghiên cứu bởi Đào Đức Huy Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại Học Thái Nguyên
Kết luận của đề tài:
- Đưa ra cơ sở lý thuyết cơ về công suất, hệ số công suất, các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất
- Trình bày tính chất phụ tải ảnh hưởng tới cosφ
- Trình bày tính chất của phụ tải ảnh hưởng tới sóng hài
- Trình bày phương pháp bù công suất phản kháng theo các chỉ tiêu khác nhau
- Trình bày chi tiết việc thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng kết hợp lọc sóng hài, mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink
Tại câu lạc bộ sóng hài thuộc Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, chúng tôi đang tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm cho hệ thống bù công suất phản kháng kết hợp với lọc sóng hài, nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các hệ thống điện.
- Tuy nhiên đề tài còn hạn chếlà chưa áp dụng được rộng rãi trong thực tế
Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu và khắc phục những thiếu sót hiện có, đồng thời hoàn thiện mô hình hệ thống bù công suất phản kháng kết hợp với lọc sóng hài Mục tiêu cuối cùng là áp dụng mô hình này vào thực tiễn sản xuất để nâng cao hiệu quả hoạt động.
1.4.2 Nghiên c ứu đ i ề u khi ể n thi ế t b ị bù tĩnh (SVC) và ứ ng d ụ ng trong vi ệ c nâng cao ổn đị nh ch ất lượ ng h ệ th ống điệ n Đề tài nghiên cứu [2] Nguyễn Thế Vĩnh Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại Học Thái Nguyên
Kết luận của đề tài:
Thiết bị bù SVC giúp hệ thống điện hoạt động linh hoạt trong cả chế độ bình thường và khi có sự cố, đồng thời nâng cao độ tin cậy và tính kinh tế trong vận hành Việc sử dụng SVC là rất quan trọng, đặc biệt trong việc đảm bảo độ ổn định điện áp.
- Nhược điểm thiết bị bù có điều khiển SVC: Xảy ra hiện tượng cộng hưởng sinh ra trong quá trình làm việc của thiết bị bù có điều khiển
Nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù ngang SVC trong hệ thống điện Việt Nam sẽ nâng cao khả năng ổn định điện áp tại các nút có SVC Đặc biệt, hệ thống điều khiển góc mở của các van SVC sử dụng bộ vi điều khiển PIC 16f877 sẽ mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý điện năng.
Bộ vi điều khiển PIC16F877 được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ điều khiển trung tâm, với chương trình được cài đặt theo luật điều khiển PID Thiết bị này có khả năng điều khiển các van của SVC, đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế.
Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc phát triển chương trình mô phỏng ISIS để áp dụng vào các bài toán mô phỏng thiết bị trong hệ thống điều khiển của các thiết bị bù trong hệ thống điện Mục tiêu là nâng cao hiệu quả và độ chính xác của các mô phỏng, từ đó cải thiện quá trình quản lý và vận hành hệ thống điện.
1.4.3 Nghiên c ứ u thi ế t k ế , ch ế t ạ o, l ắ p đặ t h ệ th ố ng bù cosphi vô c ấ p cho ph ụ t ả i
Nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Kiên và các thành viên Bộ môn Tự động hóa thuộc Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tập trung vào ba pha không đối xứng.
Sản phẩm thực: Hệ thống gồm tủđiều khiển và tủ tải thay đổi được cos
Hình 1.15: Hệ thống bù cos
Hình 1.16: Tủ phụ tải thay đổi cos
Hình 1.17: Tủ điều khiển hệ thống bù cos
Hệ thống này áp dụng mô hình bù cho phụ tải, giúp điều chỉnh hệ số công suất trong khoảng cosφ = (0,9 ÷ 1.0) và giữ cho nó ổn định Khi cosφ của tải thay đổi, hệ thống tự động điều chỉnh để duy trì giá trị cosφ đã được đặt Bộ điều chỉnh PID kinh điển được sử dụng để thực hiện các điều chỉnh này trong hệ thống.
1.4.4 Nghiên c ứ u b ộ điề u khi ể n PI M ờ t ừ thi ế t k ế đế n ứ ng d ụ ng
Nghiên cứu [4] của Nguyễn Trí Ngôn Trường Đại Học Cần Thơ đăng trên
Tạp chí khoa học năm 2011.
Bài báo mô tả phương pháp tự động tinh chỉnh online thông số của bộ điều
Phương pháp này có ưu điểm nổi bật là cho phép thiết kế và thực hiện bộ quan sát mờ một cách đơn giản, không cần phải quan tâm đến cấu trúc bên trong của đối tượng điều khiển.
- Khoảng tinh chỉnh các thông số của bộđiều khiển PI được thiết lập đủ rộng xung quanh giá trịđạt được từphương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols
Kết quả kiểm nghiệm trên các thiết bị RT010, RT020 và RT030 của GuntHamburg, CHLB Đức cho thấy bộ điều khiển đề xuất trong nghiên cứu này rất hiệu quả Các thiết bị có thời gian tăng và thời gian xác lập phù hợp, độ vọt không đáng kể và sai số xác lập được triệt tiêu Hơn nữa, bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu về thời gian thực và duy trì sự ổn định trước tác động của nhiễu vào hệ thống.
Theo các nghiên cứu về hệ thống bù cosφ, bộ điều chỉnh mờ cho thấy nhiều ưu điểm nổi bật trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện Dựa trên hệ thống thực tại trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, luận văn sẽ mô phỏng hệ thống này bằng bộ điều chỉnh PID kinh điển trong Chương 2, sau đó chuyển sang sử dụng bộ điều chỉnh mờ trong Chương 3 để so sánh và làm rõ chất lượng đầu ra của hệ thống khi áp dụng các bộ điều chỉnh khác nhau.
THIẾ T K Ế H Ệ TH Ố NG BÙ COSPHI VÔ C Ấ P CHO PH Ụ T Ả I BA
Mô hình SVC trong tính toán ch ế độ xác l ậ p c ủ a h ệ th ống điệ n
Các thiết bị bù ngang có điều khiển như SVC hoạt động gần như tức thời, do đó trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống, có thể xem xét đặc tính làm việc và đặc tính Vôn - Ampe của chúng Đặc tính làm việc thể hiện mối quan hệ giữa điện kháng và công suất phản kháng theo điện áp nút đặt, trong khi đặc tính Vôn - Ampe thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp nút đặt của SVC Dưới đây là một số phương pháp mô phỏng thường dùng cho thiết bị bù ngang có điều khiển.
2.1.1 Mô hình hóa SVC như một điệ n kháng có tr ị s ố thay đổ i
Trước hết, xét luật điều khiển của SVC ở chế độ xác lập Luật này có thể được biểu diễn bằng đặc tính Vôn - Ampe có dạng như sau:
Điện áp tại nút SVC được ký hiệu là U, trong khi dòng điện qua SVC là I và điện áp đặt là Uref Điện kháng dốc X SL của SVC có vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn vi phạm giới hạn khi có biến động điện áp nhỏ Giá trị của X SL thường dao động từ 2% đến 5% Độ lệch của điện áp được điều khiển thường nằm trong khoảng ±5% so với điện áp đặt Uref.
Tại các giới hạn của góc mởthiristor, điện kháng của SVC sẽđược giữở một giá trị cốđịnh
Khi thay đổi góc mở α của thiristor, điện dẫn Be = -1/Xtđ cho thấy sự thay đổi rõ ràng hơn so với điện kháng tương đương Xtđ của SVC Điều này có nghĩa là đường biểu diễn Be(α) không dốc như đường Xtđ(α) Vì vậy, trong mô hình hóa các thiết bị bù có điều khiển, người ta thường sử dụng các công thức liên hệ với điện dẫn tương đương Be thay vì điện kháng Xtđ, giúp tránh được vấn đề xử lý các điểm không ổn định.
Phương pháp mô hình hóa SVC được trình bày trong mục này xem SVC như một điện kháng có trị số thay đổi Các phương trình mô tả hoạt động của SVC trong chế độ quá độ sẽ được phân tích để hiểu rõ hơn về hiệu suất và tính năng của hệ thống.
Trong đó, XC biểu diễn các biến và f biểu diễn các phương trình của hệ thống điều khiển
Mô hình hoạt động của SVC ở chế độ xác lập được xây dựng dựa trên các phương trình mô hình hóa chế độ quá độ, trong đó phương trình vi phân được thay thế bằng phương trình đặc tính Vôn - Ampe Các phương trình này mô tả một cách chi tiết hoạt động của SVC trong chế độ xác lập.
Chương trình tính toán hiện tại áp dụng phương pháp lặp với các thông số được rời rạc hóa, bắt đầu từ một giả thiết về mức điện kháng đẳng trị Giá trị ban đầu này được xác định dựa trên sự suy đoán của người sử dụng hoặc dựa vào các giá trị ban đầu của các biến xoay chiều cùng với đặc tính điện dẫn B e (α).
Lúc này quá trình tính toán cho phép xác định được điện áp tại nút đặt SVC
Khi điện áp vượt quá giá trị cài đặt, phép lặp sẽ giảm điện kháng, dẫn đến tăng công suất tiêu thụ hoặc giảm công suất phát của SVC Ngược lại, nếu điện áp thấp hơn giá trị cài đặt, phép lặp sẽ tăng điện kháng, làm giảm công suất tiêu thụ hoặc tăng công suất phát của SVC Tuy nhiên, do các hệ số của ma trận tổng dẫn Y không còn là hằng số và cần được xác định lại sau mỗi bước lặp, phương pháp này có nhược điểm là không đảm bảo hội tụ, đặc biệt khi có nhiều vị trí đặt SVC và không tận dụng được các chương trình tính toán chế độ xác lập trước đó.
2.1.2 Mô hình SVC theo t ổ h ợ p ngu ồ n và ph ụ t ả i ph ả n kháng
Mô hình này dựa vào đặc tính làm việc của SVC, mô phỏng SVC thông qua tổ hợp nguồn và phụ tải công suất phản kháng cung cấp qua máy biến áp điều áp dưới tải Việc này cho phép áp dụng các thuật toán thông thường để giải quyết bài toán, mang lại sự thuận tiện khi sử dụng các chương trình tính chế độ xác lập cũ.
Hình 2.1: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản kháng
Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới tải được thể hiện qua hình 2.1 và 2.2 Đối với nguồn phát công suất phản kháng, điện áp đặt U0 và các giới hạn điều chỉnh công suất phản kháng Qmax và Qmin rất quan trọng Trong khi đó, đối với phụ tải, U0 là điện áp cần duy trì ở phía hạ áp của máy biến áp, với phạm vi điều chỉnh ΔU cho các đầu phân áp Công suất phản kháng Q0 được giữ cố định trong phạm vi điều chỉnh của các đầu phân áp.
Hình 2.3: Đặc tính làm việc của SVC
Khi kết hợp đặc tính của một nguồn công suất phản kháng với hai phụ tải công suất phản kháng thích hợp, ta có thể đạt được đặc tính làm việc của SVC Các thông số của nguồn và phụ tải công suất phản kháng được lựa chọn cụ thể để tối ưu hóa hiệu suất.
- Nguồn công suất phản kháng:
+ Chọn điện áp giữ của nguồn bằng điện áp giữ của SVC: U0 = U0SVC
+ Giới hạn điều chỉnh công suất phản kháng:
Phụ tải công suất phản kháng:
- Phụ tải thứ nhất: Công suất phản kháng không đổi bằng công suất phản kháng lớn nhất mà SVC có thể phát được :
Phạm vi điều chỉnh điện áp: U 1max = U 0SVC – U 01
Hình 2.4: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng
Các thông số của đặc tính tĩnh phụ tải: b0 = b1= 0; b2 = 1
Phụ tải thứ hai đề cập đến công suất phản kháng không đổi, được xác định bằng công suất phản kháng nhỏ nhất mà SVC có thể phát ra hoặc công suất phản kháng lớn nhất mà SVC có thể tiêu thụ.
Phạm vi điều chỉnh điện áp: U 2max = U 0SVC – U 02
Các thông số của đặc tính tĩnh phụ tải: b 0 = b 1 = 0 ; b 2 = 1
Các trị số U01 và U02 cần được lựa chọn một cách linh hoạt, với khoảng cách đủ lớn so với U0SVC, nhằm đảm bảo rằng đặc tính thu được phù hợp với hoạt động thực tế của SVC trong vùng làm việc.
Thiết bị TCR là một phần tử quan trọng trong các hệ thống điện, với ứng dụng đa dạng trong việc bù dọc và bù ngang, giúp nâng cao tính linh hoạt của đường dây truyền tải.
Khi dòng điện đi qua thyristor, nó không chỉ tạo ra thành phần cơ bản mà còn sinh ra các sóng hài bậc cao, ảnh hưởng tiêu cực đến chế độ vận hành của hệ thống điện Để khắc phục hiệu ứng phụ này khi sử dụng thiết bị bù điều khiển bằng thyristor hoặc triắc, cần phải lắp đặt bộ lọc để loại bỏ các sóng hài bậc cao.
Dựa trên nguyên lý hoạt động của SVC thông qua khai triển Fourier, có thể xây dựng các đặc tính Z(U) hoặc Q(U) Những đặc tính này thường có hình dạng phi tuyến và gián đoạn.
Sơ đồ SVC ứ ng d ụng điề u khi ể n bù công su ấ t ph ả n kháng
Các linh kiện điện tử công suất lớn được sử dụng phổ biến trong các thiết bị bù của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (SVC) tại các quốc gia phát triển.
Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại sử dụng thiết bị bù và dịch pha được điều khiển bằng linh kiện điện tử công suất, nhằm cung cấp nguồn năng lượng kịp thời và duy trì tính ổn định cho hệ thống điện Sự kết hợp giữa các thiết bị này và bộ vi điều khiển cho phép kiểm soát nguồn năng lượng một cách linh hoạt, đồng thời nâng cao khả năng tự động hóa, đảm bảo độ tin cậy và ổn định của hệ thống, trong đó hệ thống điều khiển đóng vai trò then chốt.
Sơ đồ khối điều khiển các van của SVC được chia ra trên hình 2.5
Hệ điều khiển các van SVC có chức năng điều chỉnh vị trí xung điều khiển trong nửa chu kỳ đầu của điện áp giữa anốt và catốt của Thyristor.
Để mở được thyristor, cần tạo ra các xung điều khiển có biên độ từ 2V đến 10V và độ rộng xung từ 20 đến 100 ms, đặc biệt là khi sử dụng cặp thyristor đấu song song ngược Độ rộng xung được xác định theo một biểu thức cụ thể.
⁄ 𝑑𝑡 (2.5) Trong đó: Idtlà dòng duy trì của Thyristor; di/dt là tốc độtăng trưởng của dòng tải
Cấu trúc của một mạch điều khiển thyristor gồm 3 khâu chính sau đây:
Khâu tạo xung đồng bộ (ĐB) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp giữa anốt và catốt của thyristor hoặc triắc cần mở Tín hiệu này thường là điện áp xoay chiều, được lấy từ biến áp có sường cấp, nối song song với thyristor hoặc triắc cần mở để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Khâu điều khiển tạo xung (SS - TX) có chức năng so sánh điện áp đồng bộ với tín hiệu phản hồi, thường được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều, nhằm tạo ra xung kích để mở thyristor.
- Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor hoặc triắc
- Khâu phản hồi (U đk ): tạo ra tín hiệu điện áp một chiều lây từ điện áp nút trên lưới hệ thống điện
- Khi thay đổi giá trịđiện áp một chiều U đk thì góc mởα sẽthay đổi
Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” như hình 2.6 để thực hiện điều chỉnh vịtrí đặt xung trong nửa chu kỳđầu của điện áp đặt trên thyristor
Hình 2.6: Đồ thị biên thiên điều chỉnh xungtrong nửa chu kỳ đầu trên thyristor
Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:
- Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu ĐB được tạo thành tín hiệu cos
- Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được điện áp Udb U m sinωt thì: U c = U m cosωt
Giá trịởđược tính theo phương trình sau: Umcosα = Uđk
Do đó: α = arccos(U đk /U m ) khi U dk = U m thì α = 0 khi Udk = 0 thì α = π/2 khi U dk = -U m thì α = π
Như vậy, khi điều chỉnh U dk từ trị - U m đến +U m , ta có thểđiều chỉnh được góc α từ0 đến π.
B ộ điề u khi ể n PID
2.3.1 Gi ớ i thi ệ u chung v ề b ộ điề u khi ể n PID
2.3.1.1 Khái quát về bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID, được giới thiệu lần đầu vào năm 1939 bởi Taylor Instrument và Foxboro, là một hệ thống điều khiển có hồi tiếp vòng kín phổ biến trong công nghiệp, cho phép ngõ ra thay đổi tương ứng với giá trị đo PID kết hợp ba thành phần chính: tỷ lệ, tích phân và vi phân, giúp triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng và giảm độ vọt lố khi thông số được lựa chọn phù hợp.
Hình 2.7: Cấu trúc bộ điều khiển PID
Biến đổi tương đương (hình 2.8):
Hình 2.8: Biến đổi tương đương của ba bộ điều khiển I, P, D với u(t) = uP + uI + uD
Khi sử dụng bộ điều khiển PID nó đảm bảo tính bổ sung hoàn hảo của 3 trạng thái, 3 tính chất khác nhau:
- Phục tùng và làm việc chính xác (P)
- Làm việc có tích luỹ kinh nghiệm (I)
- Có khảnăng phản ứng nhanh nhạy và sáng tạo (D) ộ điề ể PID đượ ứ ụ ấ ộng rãi đố ới các đối tượ
Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
Trong đó: x(t) là giá trị đặt u(t) là điện áp điều khiển U đk của bộ biến đổi (BBĐ)
Bộđiều khiển PID được mô tả:
Việc xác định các thông số KP, TI, TD quyết định chất lượng hệ thống và ta có các phương pháp thường gặp:
- Phương pháp Ziegler- Nichols 1 (phương pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t))
- Phương pháp modul tối ưu
- Phương pháp tối ưu đối xứng
2.3.1.2 Bộ điều khiển tỉ lệ (P)
Hình 2.10: Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển tỉ lệ
Hoạt động tỉ lệ (P) giúp giảm biên độ sai lệch điều khiển e(t) bằng cách tăng cường điều khiển u(t) cho các sai lệch lớn và giảm cho các sai lệch nhỏ Đặc tính tĩnh của bộ điều khiển là tuyến tính với u(t) = K P e(t), trong đó K P là hệ số khuyếch đại Khi có sai lệch e(t), bộ điều khiển tăng cường tín hiệu để bù trừ sai lệch, đảm bảo rằng tín hiệu ra y(t) gần với giá trị đặt x(t) Để duy trì sự ổn định của hệ thống kín, tín hiệu điều khiển cần có giá trị lớn khi sai lệch lớn, và giảm khi sai lệch nhỏ, giúp giảm thiểu tác động của bộ điều khiển Bộ điều khiển tỉ lệ có cấu trúc đơn giản, thường được sử dụng trong các quá trình không yêu cầu độ chính xác cao Tuy nhiên, trong cấu trúc của hàm truyền đạt hở, nếu không có khâu tích phân, sai số xác lập sẽ tồn tại như một hằng số.
𝑆 𝑡 = lim 𝑡→∞ 𝑒(𝑡) = 𝑥 𝐾 0 (2.8) Trong đó: K là hệ số khuyếch đại của hàm truyền đạt hở x 0 là biên độ của tín hiệu đầu vào
Khi hệ số khuyếch đại KP nhỏ, sai số xác lập lớn nhưng hệ thống ổn định, cho thấy khả năng điều khiển không đáp ứng và không bù trừ được sai số Tăng hệ số KP sẽ giảm sai số xác lập, giữ cho đáp ứng của hệ thống kín không dao động Để đảm bảo sai số nhỏ, KP cần có giá trị lớn Tuy nhiên, việc tăng hệ số khuyếch đại để đạt độ chính xác cao trong chế độ xác lập có thể mâu thuẫn với việc đảm bảo chất lượng trong chế độ quá độ Điều này có nghĩa là khi KP tăng đến một mức nhất định, hệ thống có thể bắt đầu dao động và mất ổn định trước khi đạt được giá trị khuyếch đại mong muốn.
Khi một hệ thống có phản hồi đáp ứng quá độ thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng động nhưng có sai số tĩnh lớn, có thể giảm sai số bằng cách điều chỉnh hệ số khuyếch đại đáp ứng mạch hở gần tần số vượt của nó, mà không làm thay đổi tần số cắt c của hệ hở Nếu bộ điều khiển có cấu trúc tích phân, tín hiệu đầu ra u(t) sẽ tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch điều khiển e(t).
𝑖 𝑠 (2.9) Trong đó: T i là thời gian tích phân
Hệ thống bộ điều khiển với tích phân, như được trình bày trong hình 2.10, cho thấy rằng tác động điều khiển u(t) sẽ tiếp tục tăng cho đến khi sai số điều khiển được loại bỏ hoàn toàn Khi tín hiệu tác động tích lũy đủ, sai số sẽ giảm xuống 0 Đặc tính hàm quá độ cũng được mô tả trong hình 2.10b.
Hình 2.11: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển I: b, Đặc tính quá độ
Trước tiên, chúng ta cần xem xét ý nghĩa vật lý của việc áp dụng tích phân vào quy luật điều chỉnh Hình 2.12 minh họa đường cong biến thiên của tín hiệu sai số e(t) và tích phân sai số điều khiển.
Khi tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển u(t) tỷ lệ với tín hiệu sai số e(t), nếu tác động chỉ đạo x(t) biến thiên với tốc độ không đổi, việc đưa sai số e(t) vào bộ điều khiển có cấu trúc tích phân sẽ giúp giảm thiểu sai số.
Hình 2.12: Sai số điều khiển và tích phân của sai số Điều đó được giải thích như sau: Tín hiệu đầu ra của bộđiều khiển tích phân:
𝑢 (𝑡) = ∫ 𝑒 𝑡 𝑡 1 2 (𝑡)𝑑𝑡 (2.10) sẽ tăng cho đến khi bằng giá trị tương ứng với lúc tốc độ biến thiên của tác động chủđạo x(t), lúc đó sai số sẽ bằng 0
Việc sử dụng bộ điều khiển tích phân lý tưởng có thể giúp giảm sai số xuống 0, đồng thời tăng bậc vô sai tĩnh của hệ thống thêm 1 đơn vị Hình 2.12 chỉ ra rằng trong chế độ quá độ, đường cong tích phân phản ứng chậm hơn so với sự thay đổi của tín hiệu sai số, điều này dẫn đến sự suy giảm chất lượng của đặc tính quá độ.
Mặc dù bộ điều khiển tích phân đơn độc có khả năng loại bỏ sai lệch tĩnh, nhưng nó cũng ảnh hưởng tiêu cực đến đáp ứng quá độ và có thể gây mất ổn định cho hệ thống Do đó, trong thực tế, bộ điều khiển tích phân thường ít được sử dụng do những nhược điểm này.
2.3.1.4 Bộđiều khiển tỉ lệ - tích phân (PI)
Trong thực tế, việc sử dụng luật điều khiển I độc lập không được khuyến khích, vì chỉ sử dụng thành phần tích phân có thể làm tăng thời gian điều khiển và dễ dẫn đến tình trạng mất ổn định trong hệ thống.
Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân được sử dụng rộng rãi nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu loạn và tăng cường hệ số khuyếch đại ở tần số thấp, từ đó giảm sai số trong chế độ xác lập mà không làm thay đổi đáng kể các đặc tính ở tần số cao Tổ hợp giữa điều khiển tích phân và tỉ lệ này mang lại hiệu quả điều khiển cao cho hệ thống.
Sơ đồ của bộ điều khiển được giới thiệu ở hình (2.13a) và đặc tính quá độ trên hình (2.13b)
Hàm truyền của bộđiều khiển PI có dạng:
𝑠 (2.12) Trong thực tế khi sử dụng bộđiều khiển PI thì việc chọn thông sốđiều chỉnh
Việc điều chỉnh hệ số K P để phù hợp với đối tượng điều khiển nhằm đạt các chỉ tiêu chất lượng trong quá trình quá độ là rất quan trọng Nhiều tiêu chuẩn được sử dụng để xác định các thông số của bộ điều khiển Để đạt được đáp ứng đầu ra phù hợp với yêu cầu công nghệ, luật tỉ lệ có thể cho kết quả tốt nhưng thường dẫn đến sai số tĩnh lớn Khi tăng hệ số K P, sai số tĩnh giảm nhưng quá trình quá độ có thể dao động, làm giảm chất lượng Do đó, việc lựa chọn giá trị K tối ưu rất quan trọng, vì lúc này chất lượng đáp ứng của hệ thống chủ yếu phụ thuộc vào thời gian tích phân.
Khi thời gian tích phân T i lớn, tín hiệu u(t) có giá trị rất nhỏ, dẫn đến ảnh hưởng của thành phần tích phân đến đáp ứng quá độ là rất ít Do đó, bộ điều khiển trong trường hợp này sẽ hoạt động hiệu quả hơn.
Thông số T i hoạt động như một bộ điều khiển tỉ lệ, giúp duy trì đầu ra ổn định nhưng vẫn có sai số lớn so với yêu cầu Khi T i giảm xuống mức nhỏ (T i