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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Điện BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ Đề Tài: Thiết kế điều khiển STATCOM bù công suất phản kháng Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSSV: TS Phạm Việt Phương Nguyễn Xuân Trường 20174299 Hà Nội, Tháng 7/2021 Mục lục DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG LỜI NÓI ĐẦU I TỔNG QUAN VỀ STATCOM Bù công suất phản kháng Tổng quan STATCOM 2.1 Cấu trúc STATCOM 2.2 Nguyên lý hoạt động STATCOM 4 5 7 9 13 III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ Phương pháp điều chế SPWM 15 15 IV MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Mơ hình STATCOM nối lưới 1.1 Mơ hình tổng quan 1.2 Các khối mô khác 1.3 Kết mô Mô hình STATCOM gắn lưới điện 14 nút 2.1 Mơ hình tổng quan 2.2 Điều kiện bình thường 2.3 Sự cố xảy pha A 2.4 Tải thay đổi 16 16 16 16 18 21 21 21 24 27 V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Hướng nghiên cứu phát triển 29 29 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 II THIẾT KẾ MƠ HÌNH STATCOM NỐI LƯỚI Mơ hình hóa hệ thống Xây dựng mạch vòng điều khiển 2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện 2.2 Mạch vòng điều khiển điện áp chiều VDC Danh sách hình vẽ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Nguyên lý hoạt động STATCOM Nguyên lý bù bù tích cực Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng bù Trạng thái phát công suất phản kháng bù Mơ hình STATCOM nối lưới Biểu diễn vector điện áp dòng điện hệ trục tọa độ Cấu trúc điều khiển STATCOM nối lưới Cấu trúc điều khiển hệ tọa độ d, q Sơ đồ khối điều khiển dòng hệ tọa độ d, q Sơ đồ khối vịng kín điều khiển điện áp chiều trung gian Dạng sóng điều chế tín hiệu điều khiển SinPWM Mô hình tổng quan STATCOM nối lưới Sơ đồ mơ mạch vịng điều chỉnh điện áp Vdc Sơ đồ mô mạch vòng điều chỉnh Iq Sơ đồ chuyển đổi tọa độ Sơ đồ khối phát xung cho nghịch lưu Sơ đồ chuyển đổi tọa độ abc sang dq dòng điện Thông số tải ban đầu Điện áp chiều Công suất phản kháng lưới điện, STATCOM tải Công suất tác dụng lưới điện, STATCOM tải Sơ đồ lưới điện 14 nút có gắn STATCOM Sơ đồ lưới điện 14 nút có gắn STATCOM Điện áp tải phía sau nút đặt STATCOM Điện áp Ud Uq Dòng điện Id Iq Điện áp chiều Vdc Công suất phản kháng nguồn, STATCOM tải Công suất tác dụng nguồn, STATCOM tải Khối Three-Phase Programmable Voltage Source Điện áp chiều Vdc Hình ảnh phóng to điện áp Vdc Dòng điện Id Iq Điện áp Ud Uq Công suất tác dụng P Công suất phản kháng Q Điện áp chiều Vdc Điện áp Ud Uq Dòng điện Id Iq Công suất tác dụng P Công suất phản kháng Q 6 7 11 11 13 15 16 16 17 17 17 18 18 19 19 20 21 21 22 22 22 23 23 23 24 24 25 25 25 26 26 27 27 27 28 28 Danh sách bảng LỜI NÓI ĐẦU Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt chế độ, kể tình cố nghiêm trọng nhất, phải có thiết bị để điều khiển đại lượng hệ thống điện Một đại lượng đại lượng điện áp, theo nhận định thực tế, cố tan rã hệ thống điện gần có liên quan đến sụp đổ điện áp ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đên sụp đổ điện áp không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cho hệ thống điện cách kịp thời Để nâng cao chất lượng điện áp ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam có nhiều cơng trình nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên thiết bị bù chưa đáp ứng yêu cầu phản ứng nhanh nhạy hệ thống có thay đổi đột ngột nhu cầu cơng suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS như: STATCOM hay SVC, UPFC đáp ứng yêu cầu độ phản ứng nhanh nhạy dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện chế độ làm việc Đồ án nghiên cứu việc thiết kế điều khiển STATCOM bù công suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng điện áp, ổn định hệ thống điện Trong q trình làm đồ án có lúc khó khăn nhờ hướng dẫn tận tình thầy Phạm Việt Phương em hồn thành đồ án thời hạn Tuy nhiên, thời gian có hạn kiến thức hạn chế nên đồ án cịn thiếu sót số phần chưa thể hồn thành Em mong có thơng cảm thầy Em xin chân thành cảm ơn! Chữ ký GVHD Hà Nội ngày 13 tháng năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Xuân Trường I TỔNG QUAN VỀ STATCOM Bù công suất phản kháng Công suất phản kháng thành phần tạo nên hệ thống điện Đây công suất cần thiết để trì điện áp ổn định lưới điện, cung cấp lượng nâng cao hiệu suất hoạt động thiết bị điện có tính cảm kháng Việc bù cơng suất phản kháng mang lại nhiều lợi ích như: • Giảm tổn thất cơng suất mạng điện giảm công suất phản kháng truyền tải đường dây • Giảm tổn hao điện áp mạng điện giảm thành phần tổn thất điện áp công suất phản kháng gây • Giảm dự phịng chung hệ thống điện liên kết, qua giảm chi phí đầu tư vào cơng trình nguồn điện • Tăng khả truyền tải đường dây máy biến áp • Tăng tính kinh tế chung hệ thống lớn tận dụng nguồn phát có giá thành sản xuất điện thấp Quản lý công suất phản kháng hiệu mục tiêu quan trọng để nâng cao hiệu suất truyền tải, tiết kiệm điện Việc bù công suất phản kháng cải thiện hệ số công suất, điều chỉnh điện áp tốt cung cấp cho phụ tải Trong vận hành, người ta mong muốn sử dụng công suất phản kháng lưới điện tốt thiết bị hoạt động bình thường Mặt khác, trình truyền tải điện từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ điện có tổn hao cơng suất, có cơng suất phản kháng làm điện áp điểm cách xa nguồn bị suy giảm đáng kể, để tránh việc tổn thất công suất suy giảm điện áp nút phương án tối ưu giảm lượng công suất phản kháng truyền tải Lượng công suất phản kháng cần thiết để đảm bảo điện áp hoạt động nút bổ sung thiết bị bù công suất phản kháng máy bù đồng bộ, tụ bù, SVC, STATCOM Trong đó, STATCOM hộ thống bù đồng tĩnh ứng dụng hệ thống lưới phân phối, cấp điện áp trung hạ STATCOM hệ thống bù song song, có tác dụng điều chỉnh công suất phản kháng điểm kết nối, thực thơng qua việc điều chỉnh biên độ góc pha điện áp rơi STATCOM điện áp hệ thống điện để dịng qua STATCOM chậm nhanh pha điện áp đầu nguồn Nhờ mà chức ổn định điện áp, cân phụ tải cho pha Các phương pháp bù thụ động đóng cắt tụ, lặp đặt mạch lọc LC giải pháp mà làm cho vấn đề trở nên trầm trọng Mặt khác, xu phát triển hệ thống lượng tái tạo có cơng suất ngày lớn Những lý giải thích cho xu hướng quan tâm nghiên cứu đặc biệt STATCOM cho lưới điện trung năm gần Ưu điểm STATCOM khả điều chỉnh tốt, đảm bảo lượng cơng suất bị khơng đổi phạm vi rộng điện áp đặt Do đó, STATCOM biết đến thiết bị cải thiện chất lượng điện áp, không tạo thành phần sóng hài bậc ba lớn thiết bị bù khác.[1] 2.1 Tổng quan STATCOM Cấu trúc STATCOM STATCOM thiết bị chuyển đổi nguồn điện áp, chuyển đổi nguồn điện áp chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện Cấu trúc thể hình , bao gồm: Một biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) nối phía thứ cấp máy biến áp ghép; nguồn điện áp DC (Vdc ) 2.2 Nguyên lý hoạt động STATCOM Việc thay đổi công suất phản kháng thực VSC nối bên thứ cấp máy biến áp VSC sử dụng linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT IGCT) để điều chế điện áp xoay chiều ba pha V2 từ nguồn chiều Nguồn chiều lấy từ tụ điện Nguyên lý hoạt động STATCOM rõ hình 4.2, thể cơng suất tác dụng phản kháng truyền điện áp hệ thống để điều khiển V1 điện áp tạp VSC V2 STATCOM thiết bị bù ngang, điều chỉnh điện áp vị trí lắp đặt đến giá trị cài đặt (Vre f ) thông qua việc điều chỉnh biên độ góc pha điện áp rơi STATCOM hệ thống điện Hình 1: Nguyên lý hoạt động STATCOM Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát STATCOM V2 pha với V1 (δ = 0), có cơng suất phản kháng truyền tải Bằng cách điều khiển điện áp V2 tạo VSC pha với điện áp V1 hệ thống có biên độ lớn khiến dòng phản kháng (Iq ) chạy từ STATCOM vào hệ thống, lúc dòng điện Iq hoạt động điện dung cung cấp công suất phản kháng đến hệ thống, qua nâng cao điện áp hệ thống lên Ngược lại điện áp V2 tạo VSC có biên độ thấp điện áp V1 hệ thống điều khiển dòng phản kháng (Iq ) chạy từ hệ thống vào STATCOM, lúc dòng điện Iq hoạt động điện cảm tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống, qua hạn chế điện áp lưới điện Nếu điện áp V2 tạo VSC điện áp V1 khơng có trao đổi cơng suất phản kháng Ta có cơng suất tác dụng công suất phản kháng trao đổi hai nguồn V1 (lưới) V2 (bộ bù): V1V2 sinδ V1 P= ; Q = (V1 −V2 cosδ ) (2) XL XL Trong đó: • V1 θ1 : Điện áp lưới cần điều chỉnh góc lệch pha • V2 θ2 : Điện áp tạo VSC góc lệch pha Hình 2: Ngun lý bù bù tích cực • XL : Điện kháng kết nối lưới bù • δ : Góc lệch pha điện áp lưới điện áp bù Trong chế độ hoạt động bù cơng suất phản kháng δ = từ (2) ta có: P=0 ; Q= V1 (V1 −V2 ) (3) XL Từ (3) ta thấy Q tỉ lệ với hai điện áp (V1 −V2 ) • Khi V1 = V2 Q = bù khơng phát hay hấp thụ cơng suất phản kháng • Khi V1 > V2 Q > tồn thành phần điện áp V12 tương ứng dòng cảm kháng IL chậm sau V1 , V2 góc 90 độ, lưới truyền công suất phản kháng vào bù (STATCOM hấp thụ cơng suất phản kháng) Hình 3: Trạng thái hấp thụ cơng suất phản kháng bù • Khi V1 < V Q < tồn thành phần điện áp V12 tương ứng dòng điện dung IC vượt trước V1 , V2 góc 90 độ (Bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên lưới điện) Từ phân tích ta thấy thay đổi biên độ điện áp đầu bù giữ góc lệch θ = ta điều khiển dịng cơng suất phản kháng trao đổi lưới bù.[2] Hình 4: Trạng thái phát công suất phản kháng bù II THIẾT KẾ MƠ HÌNH STATCOM NỐI LƯỚI Mơ hình hóa hệ thống Hình 5: Mơ hình STATCOM nối lưới Từ sơ đồ trên, sử dụng định luật Kirchhoff cho pha ta có:  diA   vA = uA + RiA + L   dt   diB vB = uB + RiB + L  dt    di  vC = uC + RiC + L C dt (1) Biểu diễn vector dòng điện điện áp hệ tọa độ tĩnh αβ hệ tọa độ quay dq ta thể Hình 2: Hình 6: Biểu diễn vector điện áp dòng điện hệ trục tọa độ Sử dụng phép biến đổi tọa độ abc sang tọa độ tĩnh αβ thông qua phép chuyển vị tọa độ CLAKE  diα  + uα vα = Riα + L dt (2)  v = Ri + L diβ + u β β β dt Phương trình (2) viết lại hệ tọa độ quay dq, thông qua phép chuyển vị tọa độ PARK  di  vd = Rid + L d − ωLiq + ud dt di  vq = Riq + L q + ωLi + uq d dt (3) Viết lại (3) dạng ma trận ta phương trình điện áp hệ tọa độ dq (4):              −ω  id  ud  vd  id  d  id            +    = R +L  +L dt            vq iq iq ω iq uq Các phương trình dịng điện hệ tọa độ dq viết (5):  di  L d = −Rid + ωLiq + vd − ud dt di  L q = −Riq − ωLi + vq − uq d dt (4) (5) Theo lý thuyết công suất tức thời, công suất tác dụng công suất phản kháng biểu diễn qua tích vector dòng điện điện áp sau:  3  P = Re{u.i∗ } = (ud id + uq iq ) 2 (6)  Q = Im{u.i∗ } = (−ud iq + uq id ) 2 IV MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Mơ hình STATCOM nối lưới 1.1 Mơ hình tổng quan Hình 12: Mơ hình tổng quan STATCOM nối lưới 1.2 Các khối mơ khác Mạch vịng điều khiển Vdc Hình 13: Sơ đồ mơ mạch vịng điều chỉnh điện áp Vdc 16 Mạch vòng điều khiển Iq Hình 14: Sơ đồ mơ mạch vịng điều chỉnh Iq Bộ chuyển đổi hệ tọa độ abc sang αβ dq Hình 15: Sơ đồ chuyển đổi tọa độ Khối phát xung PWM Hình 16: Sơ đồ khối phát xung cho nghịch lưu 17 Bộ chuyển đổi tọa độ dịng điện Hình 17: Sơ đồ chuyển đổi tọa độ abc sang dq dịng điện 1.3 Kết mơ Khởi chạy mô với thông số tải sau: Hình 18: Thơng số tải ban đầu 18 Điện áp chiều Vdc Hình 19: Điện áp chiều Cơng suất phản kháng Q Hình 20: Cơng suất phản kháng lưới điện, STATCOM tải 19 Cơng suất tác dụng P Hình 21: Cơng suất tác dụng lưới điện, STATCOM tải Nhận xét: Qua khảo sát STATCOM nối lưới mô bù công suất phản kháng ta thu kết sau: • Công suất phản kháng Q STATCOM bám theo cơng suất phản kháng tải • Cơng suất tác dụng P STATCOM xấp xỉ • Cơng suất tác dụng tải lưới điện cung cấp đến • Thời gian xác lập khoảng 0.4s 20 Mơ hình STATCOM gắn lưới điện 14 nút 2.1 Mơ hình tổng quan Hình 22: Sơ đồ lưới điện 14 nút có gắn STATCOM 2.2 Điều kiện bình thường Điện áp Vabc Hình 23: Sơ đồ lưới điện 14 nút có gắn STATCOM 21 Điện áp tải Vload Hình 24: Điện áp tải phía sau nút đặt STATCOM Điện áp Ud Uq Hình 25: Điện áp Ud Uq Dòng điện Id Iq Hình 26: Dịng điện Id Iq 22 Điện áp Vdc Hình 27: Điện áp chiều Vdc Cơng suất phản kháng Q Hình 28: Cơng suất phản kháng nguồn, STATCOM tải Công suất tác dụng P Hình 29: Cơng suất tác dụng nguồn, STATCOM tải 23 Nhận xét: Ta thấy khảo sát tác động STATCOM lưới điện 14 nút kết thu khả quan Bộ điều khiển hoàn thành tốt nhiệm vụ ổn định điện áp Vdc qua giữ ổn định cơng suất tác dụng P STATCOM bù công suất phản kháng cho lưới điện Nhưng trường STATCOM chạy lưới điện ổn định Vậy có cố lưới điện điều xảy ra, xét tới phần 2.3 Sự cố xảy pha A Để tạo cố sụt áp pha A Ta sử dụng khối Three-Phase Programmable Voltage Source thư viện Matlab Simulink hình Hình 30: Khối Three-Phase Programmable Voltage Source Điện áp Vdc Hình 31: Điện áp chiều Vdc 24 Hình 32: Hình ảnh phóng to điện áp Vdc Dòng điện Id Iq Hình 33: Dịng điện Id Iq Điện áp Ud Uq Hình 34: Điện áp Ud Uq 25 Cơng suất tác dụng P Hình 35: Cơng suất tác dụng P Công suất phản kháng Q Hình 36: Cơng suất phản kháng Q 26 2.4 Tải thay đổi Điện áp chiều Vdc Hình 37: Điện áp chiều Vdc Điện áp Ud Uq Hình 38: Điện áp Ud Uq Dịng điện Id Iq Hình 39: Dịng điện Id Iq 27 Cơng suất tác dụng P Hình 40: Công suất tác dụng P Công suất phản kháng Q Hình 41: Cơng suất phản kháng Q 28 V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Báo cáo trình bày vấn đề sau: Chương I • Bù cơng suất phản kháng • Tổng quan STATCOM Chương II • Mơ hình hóa hệ thống điều khiển • Xây dựng mạch vịng điều khiển Chương III • Giới thiệu phương pháp điều chế Chương IV • Xây dựng mơ hình STATCOM nối lưới phần mềm Matlab Simulink • Lắp STATCOM lưới điện 14 nút đánh giá kịch mơ Tóm lại: Trong đồ án em xây dựng điều khiển mơ hình mơ bù cơng suất phản kháng STATCOM lưới điện 14 nút Việc mô cho kết tương đối tốt, qua phản ánh chất lượng điều khiển điều giúp đánh giá khả ổn định hệ thống điện thiết bị STATCOM mang lại Hướng nghiên cứu phát triển Từ kết đạt được, thấy ưu điểm hạn chế đồ án em xin đưa hướng nghiên cứu phát triển sau: • Có thể triển khai mơ hình mơ phát triển thành mơ hình hệ thống điện có số lượng nút số nguồn nhiều với dạng cố khác • Từ mơ hình triển khai, em mong muốn xây dựng thuật tốn tìm vị trí tối ưu hệ thống điện để lắp đặt STATCOM, nhằm đạt kết tốt kinh tế ổn định hệ thống điện 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Hùng Cường “Nghiên cứu phương pháp điều chế điều khiển biến đổi bán dẫn công suất đa mức kiểu module hóa” PhD thesis Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Feb 2020 [2] Hà Văn Du “Ứng dụng STATCOM để điều chỉnh điện áp bù công suất phản kháng lưới điện” MA thesis Đại Học Kĩ Thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chính Minh, June 2012 [3] Bùi Văn Huy Trịnh Trọng Chưởng “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống biến đổi điện tử công suất ứng dụng hệ thống lượng mặt trời kết nối lưới điện phân phối” In: Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ (2018) 30 ... STATCOM nối lưới mô bù công suất phản kháng ta thu kết sau: • Cơng suất phản kháng Q STATCOM bám theo công suất phản kháng tải • Cơng suất tác dụng P STATCOM xấp xỉ • Cơng suất tác dụng tải lưới... sung thiết bị bù công suất phản kháng máy bù đồng bộ, tụ bù, SVC, STATCOM Trong đó, STATCOM hộ thống bù đồng tĩnh ứng dụng hệ thống lưới phân phối, cấp điện áp trung hạ STATCOM hệ thống bù song... nâng cao hiệu suất hoạt động thiết bị điện có tính cảm kháng Việc bù cơng suất phản kháng mang lại nhiều lợi ích như: • Giảm tổn thất công suất mạng điện giảm công suất phản kháng truyền tải