Nghiên cứu thực nghiệm và đề xuất giải pháp hạn chế quá điện áp trên thanh góp trong hệ thống điện một chiều của trạm biến áp

Bài viết Nghiên cứu thực nghiệm và đề xuất giải pháp hạn chế quá điện áp trên thanh góp trong hệ thống điện một chiều của trạm biến áp giới thiệu kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm và đề xuất giải pháp hạn chế quá điện áp trên thanh góp một chiều của tải bằng cách tách ra thành phân đoạn nạp cho ắc quy và phân đoạn cung cấp cho tải.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN THANH GÓP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MỘT CHIỀU CỦA TRẠM BIẾN ÁP EXPERIMENTAL INVESTIGATION AND PROPOSAL OF A SOLUTION FOR MITIGATING OVERVOLTAGE OF THE DC BUS IN THE DC POWER SYSTEM OF POWER TRANSFORMER SUBSTATIONS Vũ Hoàng Giang, Đặng Tiến Trung Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 15/10/2021, Ngày chấp nhận đăng: 17/06/2022, Phản biện: PGS TS Lê Văn Doanh Tóm tắt: Yêu cầu phụ tải điện tự dùng chiều trạm biến áp cung cấp từ góp với điện áp ổn định quanh giá trị định mức Tuy nhiên, để nạp tốt cho hệ thống ắc quy nối tới góp điện áp nạp tăng cường thường phải cao vượt 10% so với điện áp định mức Hơn nữa, trình nạp, điện áp góp tăng cao giá trị có ắc quy hệ thống bị hỏng Vì đặt yêu cầu hạn chế điện áp góp tải chế độ vận hành khác Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu mơ hình thực nghiệm đề xuất giải pháp hạn chế điện áp góp chiều tải cách tách thành phân đoạn nạp cho ắc quy phân đoạn cung cấp cho tải Lựa chọn phần tử mạch lực sơ đồ điều khiển với ứng dụng PLC giới thiệu áp dụng cho hệ thống điện chiều trạm biến áp Thuật toán điều khiển kiểm chứng với mơ hình thực nghiệm điện áp thấp cho kết đáp ứng tốt xác nhận tính hợp lệ sơ đồ điều khiển Giải pháp đề xuất có tính hiệu cao, đơn giản chi phí thấp Từ khóa: Ắc-quy; đi-ốt; hạn chế q điện áp; góp điện áp chiều; PLC Abstract: The requirement of the internal DC load of power transformer substations is to be supplied from the DC bus with a stable voltage around the rated value However, for the efficient boost charging of the battery system connected to this bus, the step-up charge voltage should usually be 10% higher and in excess of the rated value Furthermore, during the charging operation, the voltage could be even higher than above-mentioned value if there is a breakdown battery in the system Therefore, it is essential to restrain the overvoltage of the load DC bus in different operating modes The paper presents an experimental investigation and a solution to mitigate the overvoltage of the DC bus by splitting it into the battery charging section and the load section Following this, selection of power elements and control diagram with PLC application is introduced to a DC power system of power substation The control algorithm is then verified in a low-voltage experimental model that shows satisfied response to validate the control diagram The proposed solution is highly effective, simple and low-cost Keywords: Battery; diode; overvoltage mitigation; DC bus voltage; PLC 38 Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐẶT VẤN ĐỀ Trong trạm biến áp cấp điện áp 110 kV trở lên, hệ thống điện chiều đóng vai trò quan trọng đảm bảo chế độ vận hành tin cậy ổn định trạm Nguồn điện chiều hệ thống chỉnh lưu ắc quy tạo sử dụng để cung cấp cho hệ thống khác điều khiển, bảo vệ, đo đếm, tự động hóa, SCADA, thị trạng thái báo hiệu cố [1] Trong hệ thống điện chiều, tủ nạp ắc quy thiết bị biến đổi điện xoay chiều (AC) sang chiều (DC) để nạp ắc quy cung cấp cho phụ tải chiều Trong tủ nạp có mạch chỉnh lưu cấu tạo cầu chỉnh lưu đi-ốt pha hệ thống công suất thấp cầu chỉnh lưu thyristor công suất lớn Bên cạnh nhiệm vụ cung cấp nguồn DC, tủ nạp cịn có chức khác phân phối nguồn, tự động nạp ắc quy, bảo vệ hệ thống, cảnh báo giám sát Khảo sát trạng trạm biến áp (TBA) cho thấy điện chiều cho TBA cung cấp từ tủ phân phối chiều có cấu trúc xem Hình Điện áp chiều có giá trị định mức 220 VDC; số trạm đặc biệt có giá trị điện áp định mức 110 VDC Hình Sơ đồ hệ thống cung cấp điện chiều TBA có điện áp chiều 220 VDC Hệ thống làm việc với hai chế độ cung cấp điện từ nguồn điện xoay chiều Số 28 từ nguồn ắc quy Khi hoạt động bình thường, nạp nhận điện áp xoay chiều lưới điện cấp điện cho góp chiều Khi điện áp lưới khơng ổn định khơng hoạt động hệ thống ắc quy đưa vào vận hành cung cấp điện cho tải chiều Với hai chế độ vận hành kể trên, số liệu thu thập thực tế cho thấy điện áp góp chiều ngày trạm thay đổi phạm vi rộng Sự thay đổi nhiều điện áp xuất phát từ yêu cầu điện áp nạp cho ắc quy phải đủ lớn, thường lớn điện áp định mức, để nạp đầy ắc quy Có thể thấy, thực nạp thả nạp tăng cường, mức điện áp đưa cao nhiều so điện áp định mức góp chiều tải Như vậy, thỏa mãn yêu cầu nạp ắc quy điện áp lại lớn so với điện áp định mức phụ tải Ngược lại, giảm điện áp để thỏa mãn yêu cầu phụ tải ắc quy khơng nạp đầy Ngồi ra, q trình nạp nạp khơng có chức ổn định điện áp đầu hệ thống có ắc quy bị hư hỏng điện áp góp chiều tăng cao Kết giá trị điện áp vượt ngưỡng cho phép cung cấp cho phụ tải chiều Vấn đề vừa nêu xuất nhiều hệ thống cung cấp điện chiều cho trạm biến áp hệ thống truyền tải phân phối điện Việt Nam, ví dụ TBA 110 kV: Bờ Hồ (Hà Nội), Hải Hậu, Giao Thủy, Lạc Quần, Phi Trường (Nam Định) 39 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trên sở đánh giá trên, báo đề xuất giải pháp nhằm đáp ứng đồng thời hai yêu cầu cung cấp điện áp phù hợp cho phụ tải chiều đáp ứng yêu cầu nạp đầy cho hệ thống ắc quy trạm cách phân đoạn góp chiều điơt cơng tắc tơ Đóng, cắt cơng tắc tơ điều khiển PLC Trong mục tiếp theo, số giải pháp giới thiệu, từ thấy nhược điểm giải pháp tạo tiền đề để đề xuất giải pháp MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN THANH GÓP MỘT CHIỀU Để hạn chế điện áp góp chiều, số giải pháp áp dụng như: thay đổi điện áp nạp (áp dụng cho hệ thống mới) hay mắc nối tiếp điện trở vào góp chiều (áp dụng cho hệ thống vận hành) 2.1 Thay đổi điện áp nạp Yêu cầu thay đổi điện áp đầu nạp đòi hỏi nhà sản xuất phải thay đổi công nghệ để đáp ứng yêu cầu cung cấp cho phụ tải chiều ắc quy điện áp phù hợp Việc thay đổi cơng nghệ địi hỏi chi phí sản xuất chi phí sản phẩm Hơn nhà sản xuất nước, việc thay đổi cơng nghệ sản phẩm cịn hạn chế Đối với TBA vận hành giải pháp thay nạp địi hỏi chi phí cao 2.2 Nối nối tiếp điện trở vào góp chiều 40 Đối với hệ thống có, để tạo mức điện áp phù hợp cho hai mục đích đề cập phân đoạn góp chiều cách sử dụng điện trở Số lượng giá trị điện trở đưa vào để nối hai góp tùy thuộc vào giá trị điện áp mong muốn hai phân đoạn Sơ đồ sử dụng điện trở để phân đoạn góp chiều thể Hình Hình Sơ đồ phân đoạn góp chiều điện trở Giải pháp có ưu điểm tạo điện áp phù hợp để nạp cho ắc quy từ phân đoạn cung cấp cho tải chiều từ phân đoạn lại điều kiện điện áp góp nối tới ắc quy có biến động Tuy nhiên, giải pháp có nhược điểm gây tổn hao lớn qua điện trở Hơn nữa, dịng rị từ phía xoay chiều khơng hạn chế xâm nhập vào phía phụ tải chiều Với đặc điểm kể trên, giải pháp đề xuất nghiên cứu hướng tới ổn định điện áp góp chiều tải khắc phục nhược điểm tổn hao giải pháp sử dụng điện trở ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG ĐIÔT VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG PLC 3.1 Nguyên tắc chung Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Để khống chế điện áp cung cấp cho phụ tải chiều, góp chiều phân đoạn sử dụng điôt Sơ đồ thực thể Hình hệ thống để hạn chế điện áp góp chiều cung cấp cho tải Hình Sơ đồ phân đoạn góp chiều điơt Nếu điện áp điôt lựa chọn dẫn dịng 0,875 V số điơt cần sử dụng 15/0,875  17 Các điôt nối nối tiếp với hai phân đoạn: phân đoạn thứ có điện áp UDCAQ phân đoạn thứ hai có điện áp UDCpt < UDCAQ Sụt áp thơng mạch điôt tận dụng để tạo độ chênh lệch điện áp hai phân đoạn Số lượng điôt lựa chọn tùy theo độ chênh lệch điện áp cần tạo hai phân đoạn Các điôt nối song song với cơng tắc tơ, nhờ số điơt đưa vào mạch thay đổi tùy ý cách điều khiển đóng mở công tắc tơ Số điôt đưa vào mạch tùy thuộc vào mức chênh lệch điện áp thực tế 3.2 Ví dụ áp dụng Đề xuất xây dựng cho TBA thực tế Để minh họa cho giải pháp đề xuất, mục trình bày phân tích trạng, tính tốn lựa chọn phần tử Số 28 Sơ đồ cung cấp điện chiều TBA 110 kV E1.18 Bờ Hồ tương tự Hình Điểm khác biệt giá trị điện áp nạp từ 110 V – 125 V Giá trị điện áp hai phân đoạn đề cập mục 3.1 tương ứng UDCAQ =125 V UDCpt = 110 V Độ chênh lệch điện áp hai phân đoạn 125 - 110 = 15 V Ứng với vùng điện áp chênh lệch hai phân đoạn 15 V, sơ đồ đề xuất sử cấp cấp đầu sử dụng dụng điôt nối song song với công tắc tơ, cấp thứ sử dụng điơt, xem Hình Do cấp cấp cho phép thay đổi điện áp lần sụt áp điôt 1,75 V; riêng cấp thứ cho phép thay đổi điện áp 0,875 V Như sai lệch lớn điện áp góp chiều tải so với giá trị định mức ln trì phạm vi 1,75 V nhỏ nhiều so với giá trị 15 V giải pháp hạn chế Ngồi điện áp góp nạp ắc quy vượt giá trị cho phép, ví dụ 125 V, hệ thống đưa cảnh báo âm dừng nạp ắc quy 41 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống ổn định điện áp góp chiều thống SCADA trạm Kết nối thực qua cổng truyền thông nối tiếp RS 485 Tại nút thực SCADA cho TBA lắp đặt RTU - 560 để đưa tín hiệu lên hệ thống SCADA [2] Hình Sơ đồ khối điều khiển với PLC Các thiết bị bao gồm: - Mạch động lực gồm công tắc tơ điơt có thơng số cho phụ lục; - PLC S7-200 Siemens sử dụng để điều khiển đóng mở cơng tắc tơ Lưu đồ thuật tốn điều khiển thể Hình sơ đồ khối điều khiển cho Hình PLC S7200 sử dụng với module analog EM235 Để vận hành, điều khiển giám sát từ xa hệ thống ổn định điện áp góp nguồn DC, PLC cần kết nối lên hệ 42 Phần mềm Step MicroWin sử dụng ngôn ngữ LAD (ladder logic) dùng để lập trình cho họ PLC S7-200 hãng Siemens thiết lập điều khiển họ PLC module khác [3], [4] Có thể thấy với TBA vận hành có điện áp định mức góp chiều 220 VDC giải pháp đề xuất hồn tồn áp dụng Ở đó, sơ đồ điều khiển cần thay đổi ngưỡng điện áp cho cấp lưu đồ thuật tốn Hình Kiểm nghiệm mơ hình thí nghiệm Để kiểm nghiệm hoạt động toàn sơ đồ trước áp dụng cho hệ thống thực tế, mơ hình thí nghiệm xây dựng sau: Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) - Hệ thống điều khiển PLC S7-200 CPU224, module analog EM235 trình tác động điơt đưa vào q trình điều khiển tự động - Rơ le trung gian thể cho cơng tắc tơ Khối chuyển đổi tín hiệu có nhiệm vụ phát tín hiệu mơ điện áp từ đến 10 V tương ứng vùng điện áp thực tế từ đến 125 V để cấp cho khối điều khiển, Hình - Bóng đèn thể cho điơt Thiết kế hệ thống mô từ thiết bị cần thể thay đổi điện áp Hình Sơ đồ mơ hình kiểm nghiệm Với giá trị điện áp mô phỏng, điều khiển đưa lệnh đóng, cắt cơng tắc tơ theo thuật tốn nêu Hình thể trực quan số đèn sáng tương ứng Hình minh họa trạng thái hệ thống ứng với cấp Kết mơ hình cho thấy điều khiển làm việc xác ứng với giá trị điện áp đầu vào cấp Hình Mơ hình kết kiểm nghiệm Số 28 KẾT LUẬN 43 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bài báo trình bày giải pháp hạn chế điện áp góp chiều trạm biến áp vận hành với nạp khơng có chức điều chỉnh điện áp đầu Hệ thống xây dựng với thiết kế đơn giản, hiệu quả, dễ vận hành Ngoài khả tăng điện áp để nạp cho ắc quy trì điện áp định mức tải chiều, hệ thống cho phép hạn chế xâm nhập thành phần xoay chiều vào phía góp chiều tải Trong nghiên cứu tiếp theo, đề xuất phân đoạn góp chiều tiếp tục thực với thiết bị khác để tạo điện áp góp chiều phụ tải ổn định PHỤ LỤC Bảng 1: Thông số điôt 10A 1000V [5] ZZ VZ (V) Nhãn hiệu 1N52 73B Min Typ Max 114 900 60  IZ (mA) 120 126 Bảng Thông số kỹ thuật công tắc tơ Chint [6] Điện áp làm việc cuộn hút 220V ~ 50Hz Công suất chịu tải 63A Số lượng tiếp điểm tiếp điểm thường mở (NO) Cấu tạo bảo vệ chống tác động mơi trường bên ngồi Nhựa PC chống cháy nổ Vật liệu làm tiếp điểm Đồng Trọng lượng 200g TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE-Std-946, "IEEE Recommended Practice for the Design of DC Power Systems for Stationary Applications" IEEE Power and Energy Society, 2020 [2] Đ T Trung and V Q Hồi, Hệ thống điều khiển thu thập liệu SCADA, NXB Xây Dựng, 2013 [3] Siemens, " S7-200 Programmable Controller System Manual," 2008 [4] C C Đức, Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC SIMATIC S7-200, Thành phố Hồ Chí Minh: NXB Hồ Chí Minh, 2008 [5] F S Corporation, "1N5273B Datasheet," 2007 [6] CHINT VIỆT NAM, [Online] Available: https://chintvn.com/san-pham/contactor-nxc/ [Accessed 10 2021] 44 Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Vũ Hoàng Giang tốt nghiệp kỹ sư Hệ thống điện Thạc sĩ Kỹ thuật điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2002 2005 Năm 2014 nhận Tiến sĩ Kỹ thuật điện Trường Đại học Claude Bernard Lyon 1, Cộng hòa Pháp Hiện tác giả công tác Trường Đại học Điện lực Hướng nghiên cứu chính: chẩn đốn hư hỏng ước lượng thông số máy điện biến đổi điện tử cơng suất, tích hợp hệ thống lượng tái tạo vào lưới điện Tác giả Đặng Tiến Trung tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện - tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004; nhận Tiến sĩ năm 2019 Học viện Kỹ thuật quân Tác giả giảng viên Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: Ứng dụng giải pháp điều khiển đại hệ thống điện Số 28 45 ... điểm giải pháp tạo tiền đề để đề xuất giải pháp MỘT SỐ GIẢI PHÁP HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN THANH GÓP MỘT CHIỀU Để hạn chế điện áp góp chiều, số giải pháp áp dụng như: thay đổi điện áp nạp (áp dụng... tăng điện áp để nạp cho ắc quy trì điện áp định mức tải chiều, hệ thống cho phép hạn chế xâm nhập thành phần xoay chiều vào phía góp chiều tải Trong nghiên cứu tiếp theo, đề xuất phân đoạn góp chiều. .. LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bài báo trình bày giải pháp hạn chế điện áp góp chiều trạm biến áp vận hành với nạp khơng có chức điều chỉnh điện áp đầu Hệ thống xây dựng với