Tài liệu LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH pdf

Câu trả lời dường như nằm trong việc biến dòng EPS vào mạng năng lượngđiện thông minh SEEN.Hệ thống lưới điện thông minh trong tương lai sẽ phát triểnmạnh mẽ hơn, đáng tin cậy hơn,linh h

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH

1.1 ĐỊNH NGHĨA VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH

Trong vài năm qua, năng lượng điện tiêu thụ đã liên tục phát triển và,đồng thời, đầu tư cơ sở hạ tầng T & D (kiểm tra và chẩn đoán) do đó bị suy sụp Cácgiải pháp truyền thống để nâng cấp cơ sở hạ tầng hệ thống điện đã chủ yếu được thựchiện theo hình thức nhà máy điện mới, đường dây truyền tải mới, trạm biến áp, vàthiết bị liên quan Tuy nhiên, như kinh nghiệm đã chứng minh, các quá trình chophép, định vị, và xây dựng đường dây truyền tải mới trở nên vô cùng khó khăn, tốnkém và mất thời gian Kết quả là, lưới điện là bị suy giảm, dẫn đến độ tin cậy bị giảm

và chi phí năng lượng cao hơn

Bất chấp những vấn đề trên, độ tin cậy của hệ thống là quan trọng và không thể

bị ảnh hưởng Để khắc phục vấn đề này, các nhà khai thác mạng lưới đã di chuyển từ

hệ thống hình tia tới mạng lưới Tuy nhiên điều này làm giảm khả năng kiểm soát củamạng vì dòng điện chạy dọc theo các đường dây cụ thể mà không dễ dàng được kiểmsoát Tình hình thậm chí còn tồi tệ hơn nếu một sự cố như quá tải xảy ra, tăng khảnăng mất điện lưới Thêm vào đó, việc tăng trưởng phụ tải nhanh chóng dẫn đến tắcnghẽn trên các đường dây trọng điểm, do đó, dẫn đến các hoạt động không hiệu quảcủa thị trường năng lượng

Câu trả lời dường như nằm trong việc biến dòng EPS vào mạng năng lượngđiện thông minh (SEEN).Hệ thống lưới điện thông minh trong tương lai sẽ phát triểnmạnh mẽ hơn, đáng tin cậy hơn,linh hoạt hơn và có khă năng tự phục hồi, hoàn toànkiểm soát được, có khả năng sở hữu và sẽ là một nền tảng đẻ làm cho sự cùng tồn tạicủa hệ thống lưới điện thông minh với một số lượng lớn của DGS và các nhà máyđiện quy mô lớn tập trung Sự cần thiết phải sửa đổi, yêu cầu để loại bỏ các rào cảnđối với việc khai thác quy mô lớn và hội nhập của DGS và các vấn đề khác, sẽ đòi hỏiphải nghiên cứu sáng tạo và phát triển công nghệ mới từ truyền tải và phân phối chocác công cụ truyền thông, với số lượng cảm biến nhiều hơn so với hiện nay

Vì vậy, dự kiến rằng các hệ thống FACTS, CUPS, ESS, DG thông minh chongười dùng trực tiếp với các thiết bị thông tin liên lạc sẽ được đặt tại trung tâm củacác hệ thống lưới điện thông minh trong tương lai, xem hình 1.1

Hệ thống lưới điện thông minh (SEEN ) sẽ cho phép các khách hàng có một vaitrò tích cực trong việc cung cấp điện, để có thể giúp hệ thống điện đáp ứng với sự cố

thiết bị hay các điều kiện thời tiết liên quan đến trường hợp khẩn cấp, và các điều kiệnkhác.

Hiện nay, các nhà điều hành hệ thống phải duy trì đủ dư thừa công suất phát điện trựctuyến hoặc nhanh chóng có sẵn để tiếp tục cung cấp hệ thống nạp nếu phát sinh mộtđơn vị tiêu thụ lớn hoặc đường dây truyền tải bị sự cố.Trong mạng lưới điện thông minh, phần lớn năng lượng dự trữ có thể được cung cấpbởi các đơn vị EPS hoặc DG nhỏ, ESS nằm ở gần các vị trí của người sử dụng trựctiếp

Hình 1.1: Định nghĩa mạng năng lượng điện thông minh

Tóm lại, một lưới điện thông minh hiện đại sẽ tạo ra EPS là :

• Sẽ giảm các tải đỉnh và tạo ra các phần dự trữ;

• Sẽ loại trừ các chi phí cơ bản của cơ sở hạ tầng (kiểm tra và chẩn đoán) mới cũng

• Sẽ giảm tổn thất đường dây cùng với chi phí vận hành và bảo dưỡng;

• Sẽ chuyển hướng dòng năng lượng chảy, thay đổi mô hình tải, cải thiện bên dạng

• Sẽ cho phép tải ESS và DG để tham gia vào hoạt động hệ thống;

• Thông qua giám sát rộng rãi, thông tin liên lạc nhanh chóng, và kiểm soát thông tinphản hồi của các hoạt động, sẽ có nhiều thông tin hơn về các vấn đề phát sinh của hệ

thống trước khi chúng ảnh hưởng đến dịch vụ;

• Cung cấp các tiện ích hệ thống với các công cụ trực quan tiên tiến để nâng cao khảnăng giám sát hệ thống

1.2 CÁC VẤN ĐỀ CHÁT LƯỢNG TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN THÔNG MINH

1.2.1 Chất lượng điện và EMC

Một trong những khái niệm cơ bản liên quan đến sử dụng năng lượng điện là sựtương thích điện từ (EMC) - giữa các thiết bị điện và môi trường của nó, hoặc giữathiết bị này và các thiết bị khác.Đó là, theo định nghĩa của Ủy ban kỹ thuật điện quốc

tế (IEC) : "khả năng của một thiết bị hoặc hệ thống hoạt động tốt trong môi trườngđiện từ của nó mà không cần quan tâm đến các nhiễu điện từ phân bố tại bất cứ nơinào trong môi trường đó"

Sự tương tác lẫn nhau giữa môi trường điện từ và tải có thể qua dây dẫn hoặc bức xạ .Hiện nay, không giống như trong quá khứ, các khái niệm về tính tương thích điện từkhông chỉ liên quan đến các vấn đề của truyền thông tin

Nó cũng bao gồm các vấn đề của sự tương tác lẫn nhau giữa các thiết bị và các

hệ thống sử dụng hiện tượng điện từ năng lượng truyền tải và mục đích chuyển đổi,cũng như tác động của thiết bị này và các hệ thống trong môi trường điện từ tự nhiên

và sinh quyển, do đó, nó bao gồm tất cả các trường hợp của mọi sự không tương thíchđiện từ

Điện là kết quả của một quá trình sản xuất và là một sản phẩm được thẩm định

và tiêu chuẩn hóa Nó cũng là một vấn đề của kim ngạch thương mại thị trường, do đógiá trị tiện ích của nó có phải là một sự đánh giá mô tả trong một thỏa thuận giữa cácbên trong giao dịch thương mại Trong ý nghĩa thông qua bởi Hội đồng châu Âu điềutiết năng lượng (CEER) chất lượng cung cấp điện bao gồm ba lĩnh vực chính, xemhình 1.2:

Hình 1.2: Sự phân loại các vấn đề cung cấp năng lượng điện

Ở đó :

-, Quality of power delivery : Chất lượng của cung cấp năng lượng điện

-, Commercial quality : Đặc tính thương mại

-, Continuity of supply : Sự liên tục cung cấp

-, Voltage quality : Chất lượng điện áp

-, Frequency : Tần số

-, Level : Mức

-, Waveform shape : hình dạng sóng

-, Asymmetry : Sự không đối xứng

• Chất lượng thương mại được hiểu là chất lượng của các mối quan hệ thương mại

• Liên tục cung cấp thường được đo trong điều kiện của số lượng sự gián đoạn cungcấp, khoảng thời gian của một sự gián đoạn, thời gian tích tụ của các gián đoạn cungcấp điện trong một khoảng thời gian nhất định

• Chất lượng điện áp đo lường trong điều kiện của sự khác biệt giữa dạng sóng thực tế

và dạng sóng điện áp và dòng ba pha sin cân bằng về giá trị danh định

Phần lớn, các ngành công nghiệp chấp nhận định nghĩa của vấn đề chất lượng điệnnhư sau : "Chất lượng cung cấp năng lượng điện là một tập hợp các thông số trong đó

mô tả quá trình phân phối năng lượng điện tới người sử dụng trong điều kiện hoạtđộng bình thường, xác định sự cung cấp liên tục (cung cấp gián đoạn ngắn hạn và dài)

và đặc trưng của các điện áp cung cấp (độ lớn, không đối xứng, tần số, và hình dạngsóng) ".

1.2.2 Các vấn đề về chất lượng điện

a, Biên độ của các điện áp cung cấp

Lý do chính làm thay đổi giá trị hiệu dụng của điên áp trong mạng điện là sựbiến đổi của tải Như hình 1.3, điện áp thay đổi trong mạng điện cung cấp vượt quágiới hạn cho phép, có ảnh hưởng xấu đến tải và có thể dẫn tới hỏng hóc các thiết bịhoặ trong trường hợp tồi tệ nhất có thể dẫn tới sự phá hủy chúng Điện áp giảm làmtăng tổn hao trong đường dây truyền tải , máy biến áp Trong khi việc tăng biên độđiện áp sẽ làm tăng dòng từ hóa ở các máy biến áp và động cơ, làm giảm tuổi thọ hayphá hủy cách điện và làm tăng sự tiêu tán năng lượng trong tải (quá nóng)

Hình 1.3 Ví dụ vê sự thay đổi theo tuần trong điện áp pha và dòng pha

b, Dao động điện áp

Điện áp biến động là một loạt các sự thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp hoặc

sự thay đổi đường bao điện áp, xem hình 1.4 Các nguồn chính của sự dao động điện

mạng lưới điện là nhiễu của các tải công nghiệp năng lượng cao (hàn điện, ổ đĩa máycán, máy cẩu, lò hồ quang, vv) và hoạt động chuyển mạch trong hệ thống điện để làmthay đổi cấu hình mạng hay gây ra bởi hệ thống điều chỉnh điện áp

Hình 1.4 Ví dụ của sự dao động điện áp trong dạng sóng tức thời

c, Sự sụt áp và sự ngắt nguồn ngắn

Sự sụt áp là sự giảm đột ngột của điện áp tại một điểm cụ thể của một hệ thốngcung cấp điện dưới ngưỡng nhúng quy định (trong một khoảng thời gian không nhỏhơn 10 ms), tiếp theo là phục hồi của nó sau một khoảng thời gian ngắn Thôngthường một sự sụt áp thường gắn với một sự cố hay hiện tượng ngắn mạch hay sựtăng của dòng cực trên hệ thống hay tại điểm kết nối ban đầu của nó (ví dụ sự khởiđộng của động cơ lớn) Một sự sụt điện áp như một sự nhiễu loạn điện từ 2 chiều,mức độ của nó được xác định tại cả 2 điện áp (điện áp dư hoặc biên độ) và thời gian(khoảng thời gian) Xem hình 1.5 và 1.6 có thể thấy rằng nguồn nhiễu là ở phía người

sử dụng như dưới đây từ bản chất của sự thay đổi dòng trong suốt sự nhiễu loạn này

Hình 1.5: Sự sụt áp và đặc tính của nó

Hình 1.6: Ví dụ về sự sụt áp tại các cực của thiết bị

Sự ngắt nguồn ngắn là một sự giảm đột ngột của điện áp trên tất cả các pha tạiđiểm cụ thể của một hệ thống điện cung cấp dưới một ngưỡng gián đoạn đặc trưngtheo sự phục hồi của nó sau một khoảng thời gian ngắn Sự ngắt nguồn ngắn là mộttrường hợp cụ thể của sự sụt điện áp Sự gián đoạn ngắn thường đi cùng với hoạt độngchuyển mạch liên quan tới sự xuất hiện và chấm dứt hiện tượng ngắn mạch trên hệthống hoặc tại điểm kết nối khởi tạo với nó

d, Sự méo dòng điện và điện áp

Các dạng sóng dòng điện và điện áp méo trở thành một điều kiện hoạt độngthông thường trong hệ thống điện ngày nay Thông thường chấp nhận đo lường sựméo bao gồm cả sóng hài điện áp và dòng điện (các thành phần mà tần số của nó làbội của các tần số cơ bản) Các thông tin toàn diện nhất thu được từ các thiết lập, nóxác định bậc, biên độ và pha của các sóng hài cụ thể Các tài liệu chuẩn hóa chấpnhận sự thay đổi của số lượng xác định trên thiết lập này Chúng thì phần lớn là hệ sốsóng hài bậc n.Và toàn bộ điện áp hài méo được tính toán cụ thể lên sóng hài bậc 50.Những yếu tố này là cơ sở để tiêu chuẩn hóa chất lượng điện

Trong số các nguồn sóng hài xảy ra trong hệ thống điện, ba nhóm thiết bị có thể được

• Thiết bị có lõi từ, ví dụ, máy biến áp, động cơ, máy phát điện,

• Lò hồ quang và các thiết bị khác, ví dụ, đèn phóng điện cao áp, hồ quang

• Điện tử và thiết bị điện điện tử

1.2.3 Phân loại các nhiễu loạn điện từ

Nhiễu loạn điện áp có thể được chia thành hai nhóm :

 Biến đổi, tức là sự sai lệch nhỏ tử các giá trị danh nghĩa hoặc mong muốn , nó xảy

ra liên tục (sự thay đổi nhanh hoặc chậm trong biên độ điện áp, sự biến đổi,….)Nguyên nhân chính là sự biến đổi của tải hệ thống hay tải phi tuyến Kết quả làm điện

áp biến đổi từ hoạt động của hệ thống, và do đó giá trị của chỉ số mô tả các nhiễu loạnnày thì không thể khác biệt đáng kể so với mức danh định Kể từ khi hệ thống điệnđược thiết kế để hoạt động tối ưu dưới điều kiện thông thường và điện áp và dònghình sin, sự biến đổi điện áp được giảm đến mức tối thiểu Hệ thống điều hành phải

có biện pháp để đạt được điều kiện này để dẫn đến quản lý hệ thống hiệu quả hơn

 Các sự kiện, tức là sự lệch đáng kể và đột ngột từ dạng sóng mong muốn vàdanh định Sự biến đổi nhanh, sụt áp nhanh hay quá điện áp tức thời là các nhiễu điểnhình trong hệ thống và cùng với sự ngắt nguồn cung cấp, là các sự kiện điển hình nhấtcủa trường hợp này Không giống như sự biến đổi điện áp – liên tục xuất hiện, còncác sự kiện điện áp thì xảy ra ngẫu nhiên Chúng được xác định bằng cách giám sátliên tục bằng thiết bị ghi âm cung cấp một chức năng kích hoạt và nó được kích hoạtkhi số lượng ghi vượt quá giá trị ngưỡng Những sự kiện điện áp mô tả "bệnh lý"trong hoạt động mạng lưới cung cấp và có ý nghĩa rất lớn đối với thiết bị sử dụng.Chúng có thể làm gián đoạn một quá trình sản xuất sử dụng điện, ngay cả khi một sựgián đoạn nguồn cung cấp không xảy ra Vì chúng có tính chất ngẫu nhiên nên chúngđược xử lý bằng cách sử dụng chủ yếu là các phương pháp thống kê

Các nhiễu loạn, được đo lường trong các điều kiện của sự tác động kinh tế của chúng,

có sự khác biệt đáng kể, vì thế các sự xếp hạng dưới đây có thể được chấp nhận :

 Trong môi trường công nghiệp : sự sụt điện áp , sự ngắt nguồn cung cấp, biên độđiện áp, sự không đối xứng, các sóng hài, độ biến đổi điện áp, sự biến đổi tần số

 Đối với doanh nghiệp nhỏ và các dịch vụ : Gián đoạn nguồn cung cấp, biên độđiện áp , sự sụt điện áp, không đối xứng, sóng hài, biến đổi điện áp, biến đổi tầnsố

 Trong môi trường dân cư : biên độ điện áp, độ biến đổi điện áp, sự ngắt nguồncung cấp, sự sụt áp, quá áp, sóng hài, không đối xứng, tần số biến đổi

1.3 KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Loại A được sử dụng mà các phép đo chính xác là cần thiết Bất cứ sự đo lường củamột tham số được đưa ra với 2 dụng cụ khác nhau đồng thuận với các yêu cầu của lớp

A, khi đo lường cùng tín hiệu sẽ sinh ra kết quả phù hợp trong sự bất định của tham

số đó

Loại B có thể được sử dụng để khảo sát chất lượng, xử lý các sự cố ứng dụng và cácứng dụng khác, ở đó độ bất định thấp là không cần thiết Chất lượng điện được đolường có thể được truy cập trực tiếp , như trường hợp thông thường trong hệ thốngđiện áp thấp hay sự truy cập qua bộ chuyển đổi đo lường Các chuỗi đo lường đượcthể hiện như trong hình 1.6

Hình 1.7 Chuỗi đo lường

1.3.2 Sự tập hợp các kết quả đo lường qua các khoảng thời gian

Đối với loại A đo lường cơ bản khoảng thời gian cho tham số biên độ (về điện ápcung cấp, sóng hài, và các sóng không đối xứng) sẽ là khoảng thời gian 10 chu kì cho

hệ thống điện 50Hz Giá trị 10 chu kì thì sau đó được tập hợp qua 3 khoảng thời gian

bổ sung:

 Khoảng thời gian 150 chu kì (với tần số 150Hz), dữ liệu sẽ được tập hợp không

có độ hở từ khoảng thời gian 15 10 chu kì Khoảng thời gian này không phải làthời gian đồng hồ mà nó dựa trên đặc tính tần số và sự chạy không tải vớikhoảng thời gian 10 chu kì

 Khoảng thời gian 10 phút Dữ liệu cho khoảng thời gian này sẽ được tập hợp từkhoảng thời gian 10 chu kì Mỗi khoảng thời gian 10 phút sẽ bắt đầu trên đồng

hồ thời gian quốc tế 10 phút nhịp Bất cứ sự trùng khớp nào của khoảng thời gian

10 chu kì được chèn vào trong sự tập hợp của khoảng thời gian 10 phút trước

 Khoảng thời gian 2 giờ : Dữ liệu cho khoảng thời gian này sẽ được tích hợp từkhoảng thời gian từ 12-10 phút

Sự tập hợp phải được thực hiện bằng cách sử dụng căn bậc hai trung bình của bìnhphương giá trị đầu vào

1.3.3 Khái niệm đánh dấu

Trong suốt sự sụt áp, tăng áp hay sự ngắt nguồn, thuật toán đo lường cho các tham sốkhác có thể sinh ra một giá trị không đáng tin cậy Khái niệm Flagging do đó ngănchặn việc đếm một sự kiện đơn hơn một lần trong các tham số khác nhau và chỉ rarằng một giá trị tập hợp có thể không đáng tin cậy Khái niệm đánh dấu được áp dụngcho loại A trong suốt quá trình đo lường tần số , biên độ điện áp, độ nhấp nháy, sựkhông đối xứng điện áp cung cấp, sóng hài, tín hiệu quan trọng và sự đo lường dưới

độ lệch và qua các tham số độ lệch

Nếu trong một khoảng thời gian nhất định, bất cứ giá trị nào được đánh dấu (flag) , thìgiá trị tập hợp sẽ bao gồm giá trị của nó, cũng sẽ được đánh dấu Người sử dụng cũng

có thể quyết định cách đánh giá các dữ liệu đã đánh dấu

1.4 TÍCH HỢP CÁC PHÂN HỆ VỚI HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG

1.4.1 Hệ thống tích trữ năng lượng trong quá khứ và tương lai

Hệ thống tích trữ là một đơn vị phát sinh công suất điện dự trữ được sử dụng trongnhiều thiết bị công nghiệp, bệnh viện, trường học, các khu tòa nhà, biệt thự Hầu hếtcác đơn vị dự trữ này đều được sử dụng chủ yếu khi hệ thống lưới điện quốc gia gặp

sự cố hay không có hiệu lực Việc lắp đặt đơn vị dự trữ khép kín có tác dụng hạn chế

sự tốn kém đường dây và tổn hao trên đường dây truyền tải Các đơn vị dự trữ thì hiệnthời được coi như là sản lượng điện phân phối phân biệt từ mô hình máy phát điện tậptrung cổ truyền Mô hình máy phát điện tập trung phải cung cấp nguồn điện tiết kiệm

và tin cậy

Có khoảng 12 triệu đơn vị DG được lắp đặt ở Mỹ, với toàn bộ năng lượng khoảng200GW DG thì được dự đoán là được sử dụng trong thị trường năng lượng mới vớitất cả các lợi tích chính sau:

 Như EPS, DG sẽ tăng khả năng truyền tải và phân phối và do đó, giới hạn thịtrường và ảnh hưởng tới sự tăng giá thành năng lượng

 Với hệ thống điện của người tiêu dùng lớn hoặc nhỏ, DG sử dụng khả năng cục

bộ kết hợp với nguồn nhiên liệu cơ bản, như làm giảm sự phụ thuộc vào sựnhập khẩu Nó cũng có thể được sử dụng cho trường hợp dự trữ khẩn cấp vàhơn nữa nó có thể được coi như một phương tiện thu nhập máy phát nếu nóđược liên kết với một hệ thống lưới chủ

Ngày nay DG được biến đổi với giới hạn công suất từ vài watt tới hàng mega watt.Giới hạn công nghệ DC từ đơn vị chỉ ra rằng chỉ chó hệ thống điện như hệ thốngquang điện tới đơn vị của chúng mới sinh ra một sự kết hợp của nhiệt và điện

1.4.2 Kết nối với một lưới chính hoạt động song song

Để kết hợp thành công DG với một hệ thống lưới chính thì sự liên kết rõ ràng phảiyêu cầu một công thức chính xác Các công trinh hiện thời thi hành cho các hệ thốngliên kết mạng DG/phân phối thì khôi phục mạng phân phối tới cấu hình cổ điển của

nó với tất cả các đơn vị liên kết DG Trong thực tế có rất nhiều hệ thống kết hợp DGnhư :

 Liên kết của nhiên liệu DG với nhiên liệu hóa thạch

 Liên kết của nhiên liệu DG với nhiên liệu phi hóa thạch

 Liên kết của nhiên liệu DG với sự kết hợp của cả nhiên liệu hóa thạch và phihóa thạch

Ngày nay cấu trúc thứ 3 được sử dụng rộng rãi trong thực tế Nó bao gồm cấu trúc

AC, DC, cấu trúc AC/DC như trong hình 1.8 Khi một bộ đơn vị năng lượng sinh ratồn tại trong một vị trí giới hạn, chúng đặt một điện áp cao cho việc tạo ra một miếnnguồn phân phối Nó có khả năng tạo ra một mạng phân phối trong hệ thống địnhnghĩa như một hệ thống phát sinh và phân phối Micro Grid (MGR) Mục đích ở đây làkết hợp tất cả nguồn năng lượng có hiệu lực và các đơn vị liên kết DG trong một miền

để đáp ứng các yêu cầu của khách hàng một cách tốt nhất Bất cứ phần năng lượngthừa nào có thể được trao đổi với một đơn vị gần đó, do đó, bổ sung một phần trongthị trường năng lượng trong thời gian rất ngắn

Hình 1.8: Các cấu trúc MGR : a Cấu trúc AC nền tảng ; b Cấu trúc dòng DC nền

hợp chính xác giữa các đơn vị DG thì chủ yếu cho sự liên tục của dòng năng lượng tớilưới Sự trao đổi năng lượng giữa các hệ thống với các tiện ích có sẵn cũng có thểthực hiện được

Cấu trúc DC : Bỏ qua nhiên liệu sơ khai, tất cả các đơn vị DG thì sinh ra nănglượng DC như trong hình 1.5b, tạo ra mạng phân phối DC Bus DC tạo ra có thể cấptrực tiếp cho các hộ tiêu thụ riêng lẻ bởi mức điện áp một chiều tiêu chuẩn Cấu hìnhnhư vậy có một độ ổn định và độ dư thừa cao như nó yêu cầu một sự tinh xảo nhỏtrong quá trình kết nối nguồn DC so sánh với nguồn xoay chiều Lợi thế chính là sựrủi ro trong quá trình dòng điện tuần hoàn giữa các đơn vị Mỗi hộ tiêu thụ có thể sửdụng nguồn một chiều hay đảo ngược nó vào trong nguồn xoay chiều phụ thuộc vàocác thiết bị sử dụng Sự trao đổi công suất với năng lực ưu tiên thì cũng có khả năngthực hiện bởi việc sử dụng một bộ phận đơn vị nghịch lưu tiêu chuẩn

Cấu trúc DC/AC: MGR có cấu trúc quanh đơn vị phát sinh riêng lẻ, nó sinh ra nguồnđiện áp một chiều kết nối tới một bus một chiều Nhìn chung, các đơn vị được nốimạng tới hệ thống giao diện AC tập trung cho mục đích tích hợp với lưới đã tồn tạinhư mô tả trong hình 1.5c Một điểm yếu trong cấu hình này là toàn bộ tổn hao củanăng lượng xoay chiều nết bộ nghịch lưu tập trung ngừng hoạt động

Trong tất cả các cấu trúc có hệu lực, các kết nối khác nhau hay các yêu cầu quản lýnăng lượng cần phải được đồng nhất hóa và địa chỉ hóa bởi người điều khiển MGR vàbởi mạng lưới chính Tương tự như sự đa dạng của các cách thức DG có thể tích hợplẫn nhau và với một lưới chính cung cấp một vài cơ hội Nó cung cấp sự hỗ trợ chokhu vực năng lượng theo các công nghệ mới xuất hiện Nó cũng mở ra một hướngnghiên cứu mới cho sự phát triển của các công nghệ mới này

1.4.3 Nguyên lý tiêm công suất

Toàn bộ công suất biểu kiến được tiêm vào trong đường dây truyền tải thì baogồm 2 phần chính là tác dụng và phản kháng Thành phần công suất tác dụng P là mộtphần của năng lượng được chuyển đổi vào trong cấu trúc năng lượng vật lý Thànhphần công suất phản kháng Q thì giúp cho việc tạo ra môi trường từ rất cần thiết chocác hệ thống và các thiết bị điện từ chuyển đổi năng lượng hiện nay Chẳng hạn nhưđộng cơ điện xoay chiều hấp thụ cả 2 thành phần P và Q một lần nó được cung cấpbởi nguồn xoay chiều Phần công suất phản kháng thu hút tạo ra trường điện từ cầnthiết để cho phép quá trình chuyển đổi năng lượng cần thiết trong động cơ Thành

phần công suất tác dụng được thu hút và chuyển đổi trong năng lượng cơ, nó dichuyển cả bộ đôi tải cơ học như một băng chuyền cơ học

Động cơ điện sẽ tích trữ công suất phản kháng như năng lượng từ dao độngtrong cuộn dây của nó như một quá trình chuyển đổi liên tục Hầu hết các ứng dụngtrong công nghiệp và thương mại thì yêu cầu cả 2 công suất P và Q đều phải hoạtđộng

Cả 2 công suất P và Q thì cần thiết ngay tức thời và với các số lượng khác nhau

để đáp ứng yêu cầu của các thiết bị chuyển đổi năng lượng điện kết nối tới nguồnxoay chiều Công suất phản kháng có thể được hút hay cung cấp phụ thuộc vào môitrường năng lượng liên kết với thiết bị điện Các thành phần năng lượng thu hút haycung cấp là cuộn cảm hoặc tụ điện Cuộn cảm thì thu hút công suất phản kháng +Q vàrút phần được định nghĩa như dòng trễ pha Năng lượng tiêu thụ được tích trữ nhưnăng lượng từ trong cuộn cảm Trong khi đó, tụ điện lại cung cấp công suất phảnkháng –Q và rút một dòng sớm pha, tích trữ nó như việc nạp năng lượng vào trongmôi trường điện môi và các khu vực liên kết

Để hiểu sự chảy của P và Q trong đường dây, ta xem xét một đường dây đơn thuần nótạo ra các bus truyền và nhận với cáp truyền tải ở giữa như trong hình 1.6

Hình 1.9: Mô tả đường dây đơn của mạng lưới phân phối năng lượng

Giả định điện trở đường dây nhỏ R<<X, các thành phần công suất tác dụng và phảnkháng có thể xấp xỉ tính như sau :

) (

sin S R

R S

V V

X

V V V

S

) (

cos 2

dây truyền tải VS =VR =V, thì công suất tiêm vào tại điểm giữa thì bây giờ được xácđịnh bởi :

) 2 / ) sin((

2 2

R S

1 (

4 2

R S Sh

) sin(

) 1 (

2

R S Ser

X r

1 ( ) 1 (

2

2

2

R S

r X

V





Ở đó r chính là mức độ của bộ bù nối tiếp (0 r  1)

1.4.4 Tiêm công suất sử dụng bộ bù tĩnh

Đa số các bộ bù tĩnh thì được thiết kế để cung cấp điều khiển công suất phảnkháng Các bộ bù nối tiếp và song song được sử dụng và cung cấp một giải pháp thihành cho bộ bù VAR Các linh kiện chuyển mạch công suất được sử dụng để điềukhiển kết nối với một bộ cố định hay một bộ ngắt được của cuộn cảm hay tụ điện tớiđường dây truyền tải

a Bù VAR cố định

Bộ bù VAR cố định được thực hiện bởi tụ điện song song kết nối với đường dâytruyền tải Tụ điện song song có thể chuyển mạch để đáp ứng các mức độ biến đổi củacông suất VAR yêu cầu để duy trì mức độ tốt nhất của bộ điều chỉnh điện áp và hệ sốcông suất sử dụng bộ đôi tụ điện như trong hình 1.10 Để dòng công suất tác dụng làhằng số và cung cấp điện áp V, yêu cầu năng lượng VAR phải có sự chênh lệch giữalần bù trước và phần bù yêu cầu, như vậy số lượng của năng lượng điện nạp được xácđịnh bởi :

2

V

VAR VAR

B C  yêu câu  khôngbù

Từ đó điện dung yêu cầu có giá trị :



C B

C 

Hình 1.10: (a) Bộ điều khiển bộ đôi tụ điện chuyển mạch; (b) Mô hình tương đương

Bộ điện kháng nối tiếp thì thường được điều chỉnh với tụ điện song song để loạitrừ các dòng hài không mong muốn và thực hiện giới hạn dòng khởi động trong suốt

sự chuyển mạch của tụ điện Nó là một sơ đồ giá thành thấp và chỉ cung cấp công suấtchính Hạn chế của nó là xuất hiện chuyển mạch ngắn với giá trị khác nhau của tụđiện khi chuyển mạch ON và OFF

b Bộ bù điều khiển VAR động

Bộ bù VAR động được sinh ra bởi việc sử dụng SVC, nó cho phép dòng bù biếnđổi từ giá trị sớm pha hoặc trễ pha Điều này có thể được thi hành bởi sự thay đổi trởkháng tại cực bởi sử dụng bộ điều khiển điện dung và các yếu tố cuộn cảm kết nốisong song tại điểm tiêm công suất Sự trễ của dòng với điện áp được đưa ra bởi sửdụng các thiết bị như Thyristor hay transistor công suất

- Thyristor chuyển mạch tụ điện

Sơ đồ Thyristor chuyển mạch tụ điện (TSC) được chỉ ra trong hình 1.11 Linh kiệnchuyển mạch trong TSC chỉ sử dụng các chuyển mạch ON và OFF, không có điềukhiển góc pha Bản thân TSC không cung cấp sóng hài nhưng có thể chuyển mạch rấtnhanh Sự chuyển mạch của bộ tụ điện được sử dụng khi tải yêu cầu tụ điện hỗ trợ Sự

hỗ trợ của tụ điện thường được chia thành 3 tới 4 bước:

Nhìn chung thì điện kháng nối tiếp được kết nối song song với bộ tụ điện để giớihạn sự chảy năng lượng trong khi tụ điện chuyển mạch và giới hạn giá trị định mứccủa sự tăng của dòng của linh kiện chuyển mạch trong một giá trị an toàn

Hình 1.11 (a) TSC; (b) Mô hình tương đương-Thyristor điều khiển điện kháng

Trong sơ đồ Thyristor điều khiển điện kháng (TCR), các switch tĩnh thì được kếtnối nối tiếp với điện kháng như trong hình 1.12 TCR thi hành như một điện nạp biếnđổi và phụ thuộc vào thyristor điều khiển chuyển mạch Bộ điều khiển góc phachuyển mạch từ 900 đến 1800, dòng chảy qua bộ điện kháng thì biến đổi Các dòng cơbản qua cuộn cảm thì do đó có chức năng như một nhánh điện nạp BTCR , nó phụ thuộcvào sự trễ của góc mở van  và được ước lượng theo công thức :

) ) 2 sin(

2 1 (

I L

Hình 1.12: (a) TCR; (b) Mô hình tương đươngTrong sơ đồ 3 pha, TCR thì thường được kết nối hình tam giác để làm giảm sónghài Các thành phần sóng hài trong dòng cuộn cảm chảy vào trong mạng gồm cácsóng hài bậc 3,5,7,9,11,và 13 với biên độ cực đại là 13,8%, 5%, 2,5%, 1,6%,1% và0,7% Nếu mạng lưới mà cân bằng, tất cả các bội số của sóng hài bậc 3 sẽ được triệttiêu trong kết nối tam giác TCR và sẽ không chảy trong mạng Cũng chú ý rằng trongtrường hợp tải không cân bằng, bội của các sóng hài bậc 3 cũng chảy trong mạng và

nó thêm vào các sóng hài Do đó yếu tố tụ điện lọc phải được tăng trong khi lọc cácthành phần dòng hài không mong muốn tạo ra bởi TCR trong suốt quá trình nó hoạtđộng

-Cố định tụ điện và Thyristor điều khiển điện kháng

Phải chú ý rằng TSC thì bản thân nó không thể cung cấp công suất phản khángbiến đổi một cách nhẹ nhàng Nó chỉ điều khiển trong những bước nhảy, vì vậy đểcho hoạt động an toàn và nhẹ nhàng của nó thì cần phải kết hợp giữa TSC và TCR.Trong sơ đồ một tụ điện cố định được kết nối qua một sự kết hợp của linh kiệnchuyển mạch nối tiếp với bộ điện kháng như hình 1.13

Hình 1.13: (a) Tụ điện cố định với Thyristor điều khiển điện kháng ; (b) Mô hình

tương đươngDòng trong cuộn cảm thì biến đổi bởi phương pháp đã trình bày ở trước của sựđiều khiển góc trễ pha Tụ điện cố định trong thi hành thì thường được thay thế hoàntoàn hay một phần bởi mạng bộ lọc, nó cần thiết phải có tụ điện và cuộn cảm tại tần

số cơ bản để phát sinh công suất VAR yêu cầu Tuy nhiên, điều này sẽ cung cấp mộttrở kháng thấp tại tần số lựa chọn để lọc các dòng hài song song chủ yếu sinh ra bởiTCR VAR cố định sớm pha thì cung cấp bởi tụ điện và nó đối kháng với công suấtVAR trễ pha cung cấp bởi cuộn cảm Toàn bộ điện nạp cho bởi hệ thống thì chiathành 2 phần (cố định và biến đổi) và nó được xác định như sau :

) (

TCR C

- Thyristor chuyển mạch tụ điện và Thyristor điều khiển điện kháng

Thyristor chuyển mạch tụ điện và Thyristor điều khiển điện kháng (TSC-TCR) thìtương tự như hoạt động của tụ điện cố định và TCR (FC-TCR) nhưng cới giá trị bướcnhảy của tụ điện Một pha đơn TSC-TCR được chỉ ra như trong hình 1.14 Để giớihạn điện dung đầu ra, nó bao gồm số lượng bội của nhánh TSC và một TCR Số

lượng của các nhánh thì được xác định bởi yêu cầu thực tế nó bao gồm sự hoạt độngcủa các mức điện áp hoạt động, công suất đầu ra tối đa, giới hạn dòng của linh kiệnchuyển mạch Giới hạn cuộn cảm có thể khuếch đại tơi bất cứ giới hạn cực đại nàobởi việc thêm vào nhánh TCR Toàn bộ giới hạn năng lượng đầu ra thì được chiathành n khoảng Trong khoảng thời gian đầu tiên, đầu ra của máy phát VAR đượcđiều khiển trong giới hạn VAR/n không Ở đó VAR là toàn bộ giới hạn cung cấp bởitất cả các nhánh TSC Trong khoảng thời gian này, một tụ điện thì chuyển mạch vàđồng thời, dòng trong TCR thì được đặt bởi góc mở trễ và nó là tổng của VAR đầu racủa TSC và của TCR cân bằng với năng lượng đầu ra yêu cầu

Hình 1.14: (a)TSC-TCR ; (b) Mô hình tương đương

1.4.5 Tiêm công suất sử dụng thiết bị tĩnh hiện đại

Các bộ bù thụ động và ngắt được sinh ra sóng hài tần số thấp trongkhi cung cápcông suất VAR yêu cầu Bởi việc sử dụng các linh kiện chuyển mạch thông minh,hiện đại và nhanh sẽ làm giảm sóng hài được thi hành với giá thành thấp của bộ lọcthông cao Lợi thế của việc sử dụng linh kiện chuyển mạch này là việc điều khiển các

bộ tụ bù hay cuộn cảm bù đưa ra hệ thống bù với khả năng điều khiển cà công suấtphản kháng và tác dụng Trong số các bộ tụ bù hiện đại thì bộ bù đồng bộ tĩnhSTATCOM thường được sử dụng nhiều nhất như bộ D-STATCOM (Dynamic StaticSynchronous Compensator) hay UPFC

a Bộ bù đồng bộ tĩnh

STATCOM là một bộ bù chất lượng cao cho để làm giảm sự dao động của thành phầncông suất phản kháng tiêm vào Nó được cấu tạo từ 6 linh kiện chuyển mạch công

suất trong sơ đồ cầu 3 pha Cầu được điều khiển để cung cấp dòng tới tụ điện mộtchiều lớn Giới hạn công suất củ các linh kiện thì tương đối thấp Các linh kiệnchuyển mạch được điều khiển bởi mạch điều khiển chuyển mạch logic PWM Cácthành phần sóng hài tần số cao có thể dễ dàng được lọc sử dụng các yếu tố lọc thụđộng tần số cao Các thành phần cơ bản của điện áp dây biến đổi, vì thế dòng được rút

từ bộ biến đổi STATCOM được kết nối song song với mạng lưới phân phối qua bộđiện kháng giới hạn hay biến áp đôi như trong hình 1.15

Hình 1.15: (a) STATCOM ; (b) Mô hình tương đươngKhi điện áp lớn hơn điện áp cơ bản của bộ biến đổi thì bộ STATCOM sẽ sinh ra côngsuất phản kháng và khi điện áp hệ thống cao hơn thì nó sẽ thu hút công suất phảnkháng Cả hai thành phần công suất phản kháng và tác dụng được xác định bởi :

) sin(   





Sh

P Sh Sh

X

V V P

Sh

P Sh Sh Sh

X

V V V

b Bộ điều khiển công suất chảy thống nhất (UPFC- Unified Power Flow Controller)

UPFC cơ bản thì bao gồm 2 bộ biến đổi đầy đủ chia sẻ chung một tụ DC link nhưchỉ ra trong hình 1.16 Các bộ biên đổi được điều khiển để bù điện áp như công suấtcủa bộ đôi đường dây truyền tải Bộ biến đổi 2 thực hiện chức năng chính là tiêm mộtđiện áp xoay chiều với biên độ điều khiển được và góc pha nối tiếp với đường dâytruyền tải Bộ biến đổi 1, mặt khác còn cung cấp hay thu hút công suất tác dụng yêucầu bởi bộ biến đổi 2 Cả 2 bộ biến đổi có thể được điều khiển để phát sinh hay hấpthu một công suất phản kháng hay cung cấp không phụ thuộc vào bộ bù công suấtphản kháng song song cho đường dây Về nguyên lý, một UPFC có thể thi hành việc

hỗ trợ điện áp, điều khiển công suất chảy cà cải thiện ổn định động trong một hay mộtvài linh kiện giống nhau

Hình 1.16: (a) UPFC ; (b) Mô hình tương đương1.5 NHẬN XÉT

Như đã trình bày trên, chương này trình bày sơ lược về lưới điện thông minh vàcác vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng trong lưới điện thông minh Nguyên lýtiêm công suất và mô hình MGR (MicroGrid) cũng được đề cập, các bộ bùSTATCOM và UPFC cũng được mô tả, là tiền đề cho sự phát triển của mô hình lọctích cực cho các chương sau

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI

2.1 NHẮC LẠI VỀ LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT CỔ ĐIỂN

2.1.1 Định nghĩa công suất dưới các điều kiện sin

Các định nghĩa của công suất điện cho hệ thống hình sin 1 pha đã được thiết lập

từ lâu Ngày nay cũng không có sự khác nhau trong kết quả thu được ở miền thời gian

và miền tần số

Một hệ thống 1 pha lý tưởng với một nguồn áp hình sin và một tải tuyến tínhthì có điện áp và dòng điện được xác đinh theo công thức:

u(t) = 2Vsin( t) và i(t)  2Isin( t  ) (2.1)

Ở đó V và I mô tả giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện, và  là tần số góc.Công suất tác dụng tức thời được xác định bằng tích của điện áp à dòng điện tức thời,

đó là :

p(t) = u(t)* i(t) = 2VI sin (t) sin (t  ) =VI cos –VI cos (2 t  ) (2.2)Công thức (2.2) chỉ ra rằng công suất tức thời của hệ thống một pha thì khôngphải là hằng số Nó có một thành phần dao động với tần số góc 2 được thêm vàovới thành phần một chiều VI cos Phân tích thành phần dao động trong công thứctrên và biến đổi ta thu được định nghĩa cổ điển của công suất tác dụng và công suấtphản kháng :

p(t)=VI cos [1-cos 2 t] - VI sin  sin (2t) (2.3)Công thức (2.3) chỉ ẩ 2 phần của công suất tức thời và nó có thể được diễn dịchnhư sau :

Phần 1 có một giá trị trung bình là VI cos và có một thành phần dao động với tần số

2 trên nó Phần này thì không bao giờ bị âm vì -90<= <=90 và do đó nó mô tảmột chiều công suất chảy từ nguồn tới tải

Phần 2 có một thành phần dao động tại tần số 2 và nó có giá trị cực đại là VI sin

.Rõ ràng, nó có giá trị trung bình là 0

Thông thường công suất tức thời được chỉ ra trong (2.3) thì được mô tả bởi 3công suất “hằng số” : Công suất tác dụng, Công suất phản kháng và Công suất biểukiến Các công suất này được mô tả như sau:

Công suất tác dụng : P Là giá trị trung bình của phần 1 :

P= VI cos

Đơn vị chuẩn của nó là Watt (W).

Công suất phản kháng Q: là giá trị cực đại của phần 2:

P= VI sin

Đơn vị đo chuẩn của nó là Var (Votl – ampere reactive)

Một tín hiệu cho sự thay đổi của  là sự thay đổi đặc tính của cuộn cảm hoặcđiện dung của tải Ở đây, ta mặc định : giá trị dương cho công suất phản kháng của tảiđiện càm, và giá trị âm cho công suất phản kháng của tải điện dung

Công suất phản kháng theo thông thường vẫn gọi là thành phần công suất vớigiá trị trung bình là 0.Tuy nhiên sự nhận định này không hoàn toàn chính xác và nó sẽdược chỉ ra sau Ý nghĩa vật lý này của công suất phản kháng đã được chứng minh khithiết bị phản kháng chỉ là cuộn cảm và tụ điện Tất nhiên, ở đó không có thiết bị điện

tử công suất Các linh kiện này có khả năng tạo ra công suất phản kháng không cóthành phần tích trữ năng lượng Vấn đề này sẽ được đề cập ở chương tới

Bây giờ công suất tức thời p(t) có thể được viết lại :

p(t) = P [1-cos 2 t] - Q sin (2t) (2.6)Hình 2.1 chỉ ra các thành phần công suất trên cho điện áp và dòng điện.Trong hìnhnày thì dòng điệntrễ pha hơn so với điện áp bởi một góc  , nó cân bàng với góc 600

Từ công thức (2.6) và hình 2.1 ta dễ dàng hiểu rằng năng lượng chảy (công suất tứcthời) trong hệ thống 1 pha xoay chiều thì không phải là cố định về chiều và giá trị.Trong suốt khoảng thời gian tương ứng của vùng “A” ,nguồn cung cấp năng lượngcho tải và ngược lại , trong suốt khoảng thời gian tương ứng của vùng “b” thì nănglượng chảy theo chiều ngược lại

Hình 2.1 Các khái niệm thông thường của công suất phản kháng và công suất tác

dụng

Số lượng công suất còn lại thì được sử dụng chung để định nghĩa giới hạn công suấtcủa thiết bị điện là công suất biểu kiến S

công suất biểu kiến S : Được định nghĩa : S=VI (2.7)

Đơn vị của nó trong hệ đo lường quốc tế là VA (votl-ampere) Công suất này

để mô tả giá trị cực đại của công suất tích cực khi hệ số công suất là 1 Định nghĩa của

hệ số công suất sẽ được trình bà ở phần tiếp theo

2.1.2 Giá trị phức của dòng và áp và trở kháng phức

Đôi khi , việc phân tích các hệ thống điện có thể được đơn giản một cách đáng kểbằng cách sử dụng giá trị phức thay cho các giá trị dòng điện và điện áp như là cáchàm của thời gian được chỉ ra trong (2.1) Do đó, một phần giới thiệu ngắn gọn về giátrị phức sẽ được đề cập ở đây

Một hàm hình sin theo thời gian f(t) , với tần số góc  có thể được định nghĩanhư thành phần ảo của số phức như sau :

) 8 2 )(

* Im(

) sin(

sin 2 )

Việc mô tả một dạng sóng hình sin bởi một đại lượng phức chỉ thực hiện được nếu nóhoàn toàn là hình sin với tần số góc  và nó cố định khi hoàn thành một chu kì Do

đó, đại lượng phức mô tả, qua thực hiện, nó chỉ đúng trong các điều kiện ổn định.Một giá trị điện áp phức V và dòng phức I có thể được mô tả bởi các số phức trong

hệ trục đề các như sau :

) 10 2 ( sin

; cos sin

;

I V V

V

I I I I

jI I I I V V V V

jV V V V

Nếu các điện áp và dòng điện của nguồn xoay chiều là hình sin, nó có thể định nghĩacác khái niệm của trở kháng Ví dụ, trên một nhánh trở kháng RLC nối tiếp, tỉ số giữađiện áp phức và dòng phức sẽ là một số phức, được định nghĩa là trở kháng phức Z:

) 11 2 ( ) 1 (

) (

0

C L j R V

I

V I

V I

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa đại lượng phức và các hàm sin theo thời gian

2.1.3 Công suất phức và hệ số công suất

Một công suất phức, S, có thể định nghĩa như tích của điện áp phức và dòng phức.

Để liên kết với tín hiệu chuẩn của công suất phản kháng đã chỉ ra trong (2.5) rằng nó

có liên quan tới “công suất phản kháng dương cho tải điện trở”, định nghĩa dưới đâycủa công suất phức nên sử dụng giá trị liên hợp của dòng phức *

I

I   I  Công suất phức S được định nghĩa như:

) 12 2 ( ) sin(

) cos(

) )(

(

I V

sin(

[ )]

Hình 2.3 Đồ thị mô tả công suất phức - tam giác công suất

Do vậy, hệ số công suất PF < 1 Đó là ý nghĩa cồ điển của công suất điện được địnhnghĩa dưới điều kiện hoàn toàn sin Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để

mô tả các thiết bị điện như biến áp, máy điện và hơn thế nữa Đáng tiếc, các định

nghĩa này về công suất thì không đúng, hay bị hiểu sai dưới điều kiện không sin.Điểm này sẽ được đi sâu hơn trong phần tiếp theo của chương.

2.1.4 Các khái niệm công suất dưới điều kiện không sin – các quy ước chung

Các định nghĩa về công suất dưới điều kiện không sin thì không chỉ có một :chúng bất đồng và khác nhau trong một vài hướng Hai chiều hướng riêng biệt củađịnh nghĩa công suất đã được sử dụng Một thì được thành lập trong miền tần số vàcái còn lại thì định nghĩa trong miền thời gian Chúng được mô tả dưới đây, để làmnổi bật tính không nhất quán của chúng và chỉ ra tại sao chúng không phù hợp để sửdụng điều chỉnh các bộ xử lí công suất đường dây

a, Định nghĩa công suất bởi Budeanu

Một bộ các định nghĩa công suất được thành lập bởi Budeanu vào năm 1927 thìvẫn vô cùng quan trọng để phân tích hệ thồng công suất trong miền tần số Ông đãgiới thiệu các định nghĩa rằng nó đúng cho các dạng sóng trung của dòng điện và điện

áp Tuy nhiên, từ khi nó được định nghĩa trong miền tần số, nó có thể chỉ được ápdụng trong phân tích trạng thái ổn định Trong các trường hợp khác, nó bị giới hạnbởi dạng sóng tuần hoàn của điện áp và dòng điện

Nếu một mạch điện xoay chiều 1 pha gồm một tải chung và một nguồn trongtrạng thái ổn định, dạng sóng điện áp và dòng điện của nó có thể được phân tích thànhchuỗi Furie Sau đó, các giá trị phức tương ứng của mỗi thành phần hài có thể đượcxác định và các định nghĩa dưới đây của công suất có thể được suy ra:

Công suất biểu kiến : S được định nghĩa : S=VI (2.15)

Công suất biểu kiến trong ( 2.15) thì về nguyên lý , thì giống hệt như công thức (2.7)

Sự khác biệt là giá trị V và I là giá trị hiệu dụng trong một chu kì điện áp và dòng điện, nó được tính toán như sau:

2 16

) (

1 )

( 1

1 2

0

2

1 2

n n

T

I dt

t i V I V dt

t v V V

Ở đây, Vn và In là giá trị hiệu dụng của thành phần điều hòa bậc n của chuỗi Furie, và

T là chu kì của thành phần cơ bản Thành phần dòng một chiều thì được xét đến trongphân tích này Sự thay thế góc của cả 2 thành phần áp và dòng điều hòa bậc n được

mô tả bởi góc n Budeanu định nghĩa công suất tác dụng và công suất phản khángnhư sau:

Công suất tác dụng : P

n n

n n n

hệ thống máy phát điện Tuy nhiên, dưới điều kiện không sin, cả 2 công suất phảnkháng và công suất biểu kiến không thể mô tả một cách thỏ đáng các vấn đề của chấtlượng công suất hay hiệu suất của hệ thống truyền dẫn Ví dụ, công suất phản khángđược xác định như trên không bao gồm sự tích của các sóng hài điện áp và dòng điện

ở các miền tần số khác nhau Xa hơn nữa, công thức (2.18) bao gồm tổng đại số củacác thành phần “công suất phản kháng hài” , nó có thể dương hay âm hay thậm chí bỏqua lẫn nhau,phụ thuộc vào vài góc hài thay thế n

Tổn thất của chất lượng công suất dưới điều kiện không sin thì được mô tả tốt hơn bởiđịnh nghĩa công suất khác, công suất méo D, nó được giới thiệu bởi Budeanu Côngsuất méo này thì bổ sung các bộ định nghĩa về công suất ở trên

Công suất méo D được định nghĩa :

2 19

2 2 2

Các định nghĩa trong (2.15) đến (2.19) được sử dụng rộng rãi trong việc phân tích cácmạch điện hoạt động dưới các điều kiện không sin Tuy nhiên, chỉ có công suất tácdụng P (2.17) là có ý nghĩa vật lý rõ ràng, không chỉ trong điều kiện sin mà còn trong

cả điều kiện không sin Công suất tác dụng mô tả giá trị trung bình của công suất tácdụng tức thời Trong các trường hợp khác, nó mô tả tỉ số trung bình của năng lượngtruyền dẫn giữa 2 hệ thống điện con Ngược lại, công suất phản kháng và công suấtbiểu kiến như đã giới thiệu bởi Budeanu thì được trình bảy một cách chính xác nhưmột sự mở rộng của định nghĩa công suất trong điều kiện sin và không có ý nghĩa vật

lý rõ ràng Hạn chế khác là dụng cụ đo lường công suất chung dựa trên các địn nghĩa

công suất trong miền tần số không dễ dàng biểu thị một tổn thất chất lượng điện trongtrường hợp thực hiện Điểm này được phân tích trong ví dụ dưới đây:

-, Tứ giác công suất và hệ số méo

Do việc mô tả công suất méo D dưới điều kiện không sin, đồ thị công suất được

mô tả trên 3 khung tọa độ chuẩn, thay cho tam giác công suất mô tả trong hình 2.3,hình 2.5 mô tả đồ thị công suất mới như một tứ giác công suất

Dưới điều kiện không sin, công suất biểu kiến được định nghĩa trong (2.7) và(2.15) không giống như định nghĩa trong (2.12) Sự tương đồng giữa chúng được chỉ

ra trong (2.13) Một công suất phức mới Spq có thể được định nghĩa từ (2.17) và(2.18) tương ứng định nghĩa công suất tác dụng mới và công suất phản kháng mới củaBudeanu Công suất phức mới Spq được định nghĩa như sau :

n n

n n

2

P VI

Hệ số công suất được định nghĩa trong (2.14) như tỉ số giữa công suất tác dụng vàcông suất biểu kiến Bây giờ, PF thì cân bằng với cos  trong tứ giác công suất ởhình 2.5

Như được thấy trong (2.21) giá trị tuyệt đối của công suất phức Spq thì khác so vớicông suất biểu kiến S dưới điều kiện không sin Tỉ số giữa P và Spq được địnhnghĩa như một hệ số thay thế cos  , mặc dù nó là hệ số công suất dưới điều kiện sin

Trong các điều kiện khác thì hệ số méo, được định nghĩa như tỉ số giữa Spq và côngsuất biểu kiến S Các hệ số được liệt kê dưới đây:

Hệ số công suất :

) 22 2 ( cos

cos

S P

nó không định nghĩa độc nhất và do đó, định nghĩa đưa ra trong (2.15) là một trong sốchúng, tên là “giá trị vôn-ampe hiệu dụng”

Điều này thì khó hơn trong việc tìm ra lý do cho khả năng áp dụng của công suất biểukiến nếu một nguồn điện 3 pha 4 dây không sin được kết nối với một tải chung Cácvấn đề này đã được báo cáo trong vài công trình và một vài nghiên cứu Gầnđây ,IEEE sử dụng chuẩn thử nghiệm đã được công bố các định nghĩa sử dụng cho đolường chất lượng công suất dưới điều kiện sin, không sin, cân bằng và không cânbằng Các danh sách biểu thức toán học của nó được sử dụng từ trước, như các biểuthức mới và giải thích các dặc trưng của các định nghĩa mới

b, Định nghĩa công suất bởi Fryze

Vào trước những năm 1930, Fryze đã đưa ra một bộ các định nghĩa công suất dựa trêngiá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện Các công thức cơ bản của Fryze được liệt

kê đưới đây:

Công suất tác dụng : Pw

2 26

) ( ) (

1 ) ( 1

0 0

w w

T T

T dt t p T

Ở đó , V và I là giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện và Iw,Uw là điện áp tácdụng và dòng tác dụng được định nghĩa dưới đây Giá trị trung bình của điện áp vàdòng điện được tính toán như trong (2.16) Cùng với công suất tác dụng Pw, các giátrị hiệu dụng này là nền tảng của cách tiếp cận Fryze Từ chúng, tất cả các tham sốkhác có thể được định nghĩa và tính toán như sau:

Công suất biểu kiến Ps:

Hệ số công suất tác dụng :

2 28

VI

p P

 2 29 

2 2

q q w S

Điều này có thể giải thích rằng không có sự khác nhau giữa công suất tác dụng

và công suất biểu kiến được định nghĩa bởi Fryze trong miền thời gian và Budeanutrong miền tần số Nó dễ dàng khẳng định rằng công suất tác dụng tính toán từ (2.17)

thì luôn luôn giống (2.26) Cả 2 công suất biểu kiến tư (2.15) vả (2.27) thì cũng giốngnhau Tuy nhiên, công suất phản kháng đưa ra trong (2.18) bởi Budeanu thì lại khác(2.29) của Fryze.

Fryze đã chứng minh rằng hệ số công suất tác dụng  thì có giá trị cực đại là 1nếu chỉ có dòng tức thời tỉ lệ với điện áp tức thời, các trường hợp khác thì  <1 Tuynhiên, dưới điều kiện không sin thì thực tế dòng tỉ lệ với điện áp không bảo đảm dòngcông suất tối ưu từ quan điểm chuyển đổi năng lượng điện cơ, sẽ được chỉ ra sau Nếucác định nghĩa trên được áp dụng để phân tích hệ thống 3 pha , nó có thể xem xétcông suất tác dụng tức thời 3 pha bao gồm một thành phần dao động, thậm chí nếuđiện áp và dòng điện tỉ lệ với nhau (tức PF=1) Tất cả các điều này sẽ được phân tích

ở chương tới, nó sẽ trình bày lý thuyết công suất tức thời

Các bộ định nghĩa công suất trên không cần bất cứ sự phân tích nào của điện áp

và dòng điện trong chuỗi Furie, mặc dù nó vẫn yêu cầu tính toán giá trị hiệu dụng củađiện áp và dòng điện Do đó, nó không đúng trong suốt hiện tượng tức thời

2.1.5 Điện tử công suất trong hệ thống 3 pha

Thông thường các mạch điện 3 pha được xem xét như tổng của 3 mạch điệnmột pha riêng lẻ Điều này thì đơn giản, đặc biệt là trong các trường hợp bao gồm cáclinh kiện công suất hay tải phi tuyến Toàn bộ công suất tác dụng, phản kháng và biểukiến trong mạch 3 pha được tính toán như 3 lần công suất trong mạch một pha, haytổng của các công suất trong mạch 3 pha riêng lẻ Nó cũng thường tìm thấy trong cáctài liệu đều giống nhau về ý nghĩa vật lý và toán học cho công suất tác dụng và PK và

BK trong cả mạch 1 pha và 3 pha Các tác giả thì không đồng ý với các quan điểmnày vì hệ thống 3 pha mô tả một vài đặc tính không được quan sát trong mạch 1 pha.Các đặc tính này sẽ được xem xét trong phần này

a, Phân loại các hệ thống 3 pha

Hệ thống 3 pha có thể nối đất hay không Nếu một hệ thống 3 pha nối đất tạihơn một điểm hoạt động chung, thì đất có thể cung cấp thêm một đường cho sự lưuthông dòng Một hệ thống 3 pha có thể cũng có 4 dây hay được gọi là “dây trung tínhhay dây dẫn” Trong cả hai trường hợp hệ thống được phân loại như hệ thống 3 pha 4dây Nếu đất không được mô tả hay ở đây chỉ có một nút đất trong mạng con của nóthì hệ thống được phân loại là 3 pha 3 dây hay đơn thuần là hệ thống 3 pha

Xa hơn nữa, một hệ thống một pha được xem xét và phân loại như hệ thốngdưới điều kiện sin hay dưới điều kiện không sin Sau đây, từ hệ thống méo sẽ được sử

dụng như một hệ thống dưới điều kiện không sin Bên cạnh những sự xem xét này, hệthống 3 pha dưới điều kiện sin có một đặc tính thực hiện đối với biên độ và góc phacủa mỗi điện áp pha (hay dòng dây) Nếu các biên độ mà cân bằng nhau và các gócthay thế giữa các pha thì cân bằng với 1200 thì hệ thống 3 pha được gọi là cân bằnghay đối xứng Trong các trường hợp khác thì hệ thống được gọi là không cân bằnghay không đối xứng Các điều kiện cân bằng và không cân bằng sẽ được sủ dụngtrong cuốn sách này Cách phân loại như trên được trình bày trong hình 2.6 , ở đó 3 ví

dụ của điện áp 3 pha cũng được đưa ra Điều này có nghĩa là một hệ thống 3 pha chỉgồm có một thành phần thứ tự dương hay chỉ một thành phần thứ tự âm là một hệthống cân bằng Tuy nhiên chỉ có thành phần thứ tự dương sẽ được nghiên cứu trongcuốn sách này như một thành phần chính

Hình 2.6 a và b chỉ ra ví dụ của điện áp 3 pha cân bằng và không cân bằng tách biệtnhau Hình 2.6c chỉ ra điện áp 3 pha méo và không cân bằng, nó dành được nhờ sựxếp chồng các thành phần sóng hài trên điện áp không cân bằng ở hình 2.6b Nhưvậy,bên cạnh các thành phần sóng hài thì điện áp cũng có các thành phần cơ bảnkhông cân bằng

Hình 2.6 a,Các điện áp cân bằng; b, Các điện áp không cân bằng ; c, Các điện áp méo

 2 33 

1 1 1 1 3 1

2 2 0

V V V

V V V

2 34

2

3 2

1 120

0 2 2

V V V

c b a

Hình 2.7: Thành phần thứ tự dương, âm và thành phần thứ tự không trong hệ thống 3

pha không cân bằng

Sự không cân bằng ở tần số cơ bản có thể gây ra bởi thành phần thứ tự âm hay thànhphần thứ tự 0 Tuy nhiên, điều quan trọng cần chú ý là chỉ có một sự không cân bằng

từ thành phần thứ tự âm có thể xuất hiện trong hệ thống 3 pha nối đất hoặc không nốiđất Sự không cân bằng từ thành phần thứ tự 0 chỉ xuất hiện trong hệ thống 3 pha 4dây, nó dẫn dòng chảy qua dây trung tính Ngược lại, tổng của 3 điện áp pha tức thờinhư tổng của 3 dòng dây tức thời thì luôn luôn =0 nếu nó chỉ bao gồm thành phần thứ

tự dương and/or thành phần thứ tự âm Do đó, thành phần thứ tự dương và thành phầnthứ tự âm có thể được mô tả trong các mạch điện 3 pha có hoặc không có dây trungtính

Hình 2.7 chỉ ra các số phức trong cùng tần số góc, tương ứng với sự phân tíchcủa một hệ thống 3 pha không cân bằng trong các thành phần đối xứng Sự phân tíchtrên là đúng cho một giá trị lựa chọn độc quyền , chẳng hạn, chu kì điện áp và dòngđiện trong hệ thống 3 pha có thể được phân tích trong chuỗi Furie Từ chuỗi này,

thành phần sóng hài bậc 3, 5, 7 và sóng hài sau, trong điện áp và dòng 3 pha có thểđược tách rời trong các nhóm của các sóng hài abc tại một tần số đưa ra Với mỗinhóm sóng hài abc thì sự phân chia trên của các giá trị phức vào trong các thành phầnđối xứng có thể được áp dụng.

b, Công suất trong hệ thống 3 pha cân bằng

Trong hệ thống 3 pha cân bằng, toàn bộ công suất tác dụng, pk và BK đượctính toán như 3 lần các công suất trong mạch 1 pha Mặc dù nhiều tác giả quy định sựgiống nhau trong ý nghĩa vật lý và toán học của các công suất này trong cả 2 hệ thống

1 pha và 3 pha Thì ít nhất một chú ý nên được liên quan tới công suất PK Nó khôngđược mô tả giống như hiện tượng trong các mạch 1 pha và 3 pha Điều này được thểhiện dưới đây:

Điện áp 3 pha và dòng dây thì chỉ bao gồm thành phần thứ tự dương cơ bản (hệ thốnghìn sin và cân bằng) được xác định bởi :

) 3 sin(

2 )

(

) 3 sin(

2 )

(

) sin(

2 )

V b

V a

t V

t v

t V

t v

t V

t v

 2 37  )

3 sin(

2 )

(

) 3 sin(

2 )

(

) sin(

2 )

I b

I a

t V

t i

t V

t i

t V

t i

Biểu tượng V+,I+….với dấu + để nhấn mạnh bản chất của thành phần thứ tự dương.Cho một hệ thống 3 pha có hoặc không có dây trung tính thì công suất tức thời 3 pha

mô tả toàn bộ công suất chảy trên 1 đơn vị thời gian truyền dẫn giữa hai hệ thống con

và nó được tính theo công thức :

2 38

) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (

3

)

(

) 3

2 2

cos(

) cos(

3

2 2

cos(

) cos(

) 2

cos(

) cos(

I V I

V

I V I

V I

V I

là hằng số và nó cân bằng với 3P (3 lần công suất tác dụng 1 pha) Để đồng nhất với

các định nghĩa trong hệ thống 1 pha , công suất tác dụng 3 pha được định nghĩa nhưsau:

2 40

) cos(

3 3

3  P VI V  I

Cho hệ thống 3 pha cân bằng, công suất biểu kiến có thể được định nghĩa từ giá trị ápphức và dòng phức, tương tự như định nghĩa của hệ thống 1 pha dưới điều kiện sin.Bởi vì mạch 3 pha là cân bằng nên ý tưởng coi “mạch 3 pha có thể xem như 3 mạchmột pha” có thể được chấp nhận Trong trường hợp này, ý tưởng “điều gì xảy ra trongmột pha cũng sẽ xảy ra trong pha tiếp theo, 1/3 chu kì cơ bản sau đó, và hơn nữa”cũng được sử dụng Do đó, công suất biểu kiến 3 pha được định nghĩa:

2 41

3 3

3  S  VI

S

Xa hơn nữa, một công suất phức 3 pha S3  thì được định nghĩa như 3 lần của côngsuất phức 1 pha ở (2.12) Một định nghĩa của công suất phản kháng 3 pha có thể đượcxem xét từ thành phần ảo của định nghĩa công suất phức 3 pha như dưới đây:

Công suất phức 3 pha S3  :

2 42

) sin(

3 ) cos(

3

3

* 3

V

I V

I V j I

V

I V

I V S

3 3

3  Q VI V  I

Công suất phản kháng 3 pha trong (2.42) hay (2.43) thì đúng như một địnhnghĩa toán học và không có bất cứ một ý nghĩa vật lý rõ ràng nào cả Trong cáctrường hợp khác, một mạch 3 pha bao gồm thành phần công suất không dao động,trong công suất tác dụng 3 pha đưa ra bởi (2.39), ngược lại với công suất tác dụng 1pha đưa ra ở (2.3) Như vậy, không có một phần nào của công suất liên hệ với côngsuất dao động một chiều từ công suất tác dụng được định nghĩa bởi P=VI cos  ,haymột “thành phần công suất dao động thì không làm việc đúng” định nghĩa bởi bởi Q =

V I sin 

Ví dụ , một máy phát một pha lý tưởng cung cấp cho một dàn tụ cân bằng, lý tưởng sẽkhông sinh ra mô men máy nếu tổn thất bị bỏ qua Trong trường hợp này, mỗi giá trịđiện áp pha phức thì vuông pha với thành phần dòng dây phức và P3  thì = 0 Mộtmáy phát không cung cấp trung bình lũy thừa tác dụng thì ở đó không có mô menmáy Mặt khác, máy phát một pha lý tưởng thì cung cấp một tụ điện lý tưởng có một

mô men máy dao động do sự có mặt của thành phần dao động của công suất tác dụng,như (2.3) Do đó, không đúng khi nghĩ rằng công suất phản kháng 3 pha mô tả năng

lượng dao động giữa nguồn và tải nếu tất cả 3 pha của hệ thống được liên hệ với nhaukhông như 3 mạch một pha mà như một mạch 3 pha Đây là lí do tại sao hệ thống 3pha không thể được coi như tổng của 3 hệ thống 1 pha riêng biệt Tuy nhiên, địnhnghĩa công suất 1 pha trên có thể được sử dụng trong trường hợp chỉ cần phân tíchđơn giản các hệ thống điện xấp xỉ với mô hình cân bằng và sin.

c, Công suất trong hệ thống 3 pha không cân bằng

Các định nghĩa truyền thống của công suất biểu kiến và công suất phản kháng thìkhông đúng nếu áp dụng cho hệ thống 3 pha không cân bằng hay méo Cả 2 nghiêncứu của Budeanu và Fryze thì không đủ trong hệ thống 3 pha méo hay không cânbằng

Dựa trên giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện, 2 định nghĩa của công suất biểukiến 3 pha đã được sử dụng chung bởi một vài tác giả:

i, “Trên pha” tính toán:

2 44

) , , (

2

2 I k a b c V

 Các công suất này thì định nghĩa toán học

và không có ý nghĩa vật lý rõ ràng Tuy nhiên, một vài tác giả sử dụng một trong sốchúng để định hướng “giá trị công suất tác dụng cực đại tại hệ số công suất đơn vị”.Trong (2.45), định nghĩa của điện áp và dòng tổng hợp được sử dụng Buchholz giớithiệu về điện áp và dòng tổng hợp vào năm 1919 để định nghĩa công suất biểu kiếncho tải chung Giá trị điện áp và dòng tổng hợp hiệu dụng được xác định bởi :

  2 46.

& 2 2 2 2

2 2

c b a c

Ia,Ib,Ic Hơn nữa, định nghĩa của điện áp tổng hợp có thể cũng được sử dụng nếu giátrị tức thời của điện áp pha được sử dụng Xét ví dụ dưới đây:

2 47

3 ) ( ) ( ) 3

2 sin(

2 ) (

3

2 sin(

2 ) (

) sin(

2 ) (

2 2 2

V t v

t V

t v

t V

t v

c b a

V c

V b

V a

Nó không thể chứng minh gồm có một bộ các định nghĩa công suất từ công suất biểukiến ở (2.44) và (2.45) Điều này sẽ được định nghĩa sau DN công suất phản khánghay công suất hài và nó được định nghĩa hoàn toàn theo công thức toán học và không

có ý nghĩa vật lý rõ ràng Do đó công suất tác dụng tức thời – một định nghĩa chung –

sẽ được lựa chọn trong phần tiếp theo như là một công thức cơ bản cho định nghĩacông suất trong hệ thống 3 pha

2.1.6 Nhận xét

Phần này trình bày một cách tổng quan về các lý thuyết công suất, bắt đầu từviệc phân loại chuẩn từ những năm 1920 Nó rất thú vị để chỉ ra rằng ngày xưa mộtvài nghiên cứu như Fryze và Budeanu đã từng nghiên cứu vấn đề này Hầu hết tất cảcác định nghĩa trình bày ở đây không chỉ quan trọng trong việc biết các khái niệmtrong quá khứ mà nó còn giúp ta hiểu rõ hơn về các khái niệm mới sẽ được đề cập ởphần sau

Mặc dù phần này bắt đầu với các định nghĩa công suất dưới điều kiện sin, nó là trạngthái hoàn toàn chung và tốt để biết cho các kĩ sư điện, nó rất cần thiết để tạo ra mộtnền tảng lý thuyết vững chắc Các giá trị phức của điện áp và dòng điện thì tạo thànhtrở kháng phức , chúng mô tả một cách tổng quát về các định nghĩa này, cần thiết đểđịnh nghĩa công suất phức và hệ số công suất Các định nghĩa của công suất dưới điềukiện không sin cho các lý thuyết cổ điển đã được phân tích, bắt đầu bởi định nghĩacủa Budeanu trong miền tần số Tứ giác công suất và hệ số méo cũng được giới thiệu

để định nghĩa tốt hơn dưới các điều kiện không sin Sau đó, các định nghĩa công suấtbởi Fryze được đưa ra trong miền thời gian và dẫn tới công suất điện trong hệ thống 3pha được mô tả, sau đó phân loại các hệ thống 3 pha không cân bằng and/or méo