126 Trang 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa {Qtt -Qb} % Hiệu suất của động cơ giảm khi có sự thay đổi điện áp đặt trên động cơ pbu kW/kVAr Tổn thất công suất tác dụng đơ
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Trung Dũng, TS Đinh Ngọc Quang với tài liệu tham khảo trích dẫn Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Tiến Dũng ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới Ban Giám Đốc, Viện Tên lửa Kỹ thuật Điều khiển, Bộ môn Kỹ thuật Điện - Học viện Kỹ thuật Quân sự, với Ban Giám Hiệu, Khoa Điều Khiển Tự động hóa Trường Đại học Điện lực, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Trung Dũng, người hướng dẫn khoa học thứ TS Đinh Ngọc Quang, người hướng dẫn thứ hai, tận tình bảo, đưa nội dung cần phải giải để tơi hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, nhóm nghiên cứu, bạn bè đồng nghiệp động viên, chia sẻ giúp đỡ suốt thời gian thực luận án Tác giả luận án Nguyễn Tiến Dũng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Tổng quan chất lượng điện 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Các tham số ảnh hưởng chất lượng điện áp Ảnh hưởng CLĐA đến hiệu suất làm việc động 12 1.2.1 Ảnh hưởng độ lệch điện áp 12 1.2.2 Ảnh hưởng điện áp bất đối xứng 14 1.2.3 Ảnh hưởng độ méo dạng sóng điện áp (sóng hài) đến hiệu sử dụng lượng động 15 Các giải pháp điều chỉnh điện áp 18 1.3.1 Nguyên lý chung 18 1.3.2 Điều chỉnh điện áp cách điều chỉnh dịng điện kích từ máy phát điện 19 1.3.3 Điều chỉnh điện áp cách đặt đầu phân áp cố định sử dụng điều áp tải máy biến áp 20 1.3.4 Điều chỉnh điện áp máy biến áp điều chỉnh biến áp bổ trợ sử dụng tụ có điều chỉnh 20 1.3.5 Sa thải phụ tải 21 1.3.6 Điều chỉnh điện áp cách thay đổi tiết diện đường dây 21 1.3.7 Lọc sóng hài 22 1.3.8 Điều chỉnh điện áp cách bù công suất phản kháng 24 iv Các phương pháp bù công suất phản kháng 25 1.4.1 Bù máy bù đồng 25 1.4.2 Bù tĩnh đóng cắt theo bậc 25 1.4.3 Sử dụng thiết bị bù công suất phản ứng nhanh 26 Các phương pháp bố trí thiết bị bù công suất phản kháng 30 1.5.1 Phương pháp bù tập trung 30 1.5.2 Phương pháp bù nhiều vị trí 31 Kết luận 34 Chương PHƯƠNG PHÁP BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 36 Phương pháp tính tốn tối ưu hóa lượng bù CSPK cho tải có động khơng đồng 37 2.1.1 Tính tốn tổn thất cơng suất tác dụng lưới điện phân phối 37 2.1.2 Tối ưu hóa bù CSPK cho lưới điện phân phối 43 Phương pháp điều chỉnh điện áp sử dụng thiết bị bù phân tán điều khiển tập trung 48 2.2.1 Mô tả hệ thống phân phối phụ tải nhà máy 49 2.2.2 Sơ đồ thay mạng điện có thiết bị bù 53 Kết luận 60 Chương GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG 62 Cấu trúc hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung 63 3.1.1 Sơ đồ hệ thống BPT-ĐKTT 63 3.1.2 Các thành phần hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT 65 3.1.3 Hoạt động hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT 65 Bộ điều khiển hệ thống 68 3.2.1 Khối đo lường tín hiệu đầu vào 70 3.2.2 Thiết bị bù trung tâm thiết bị phân tán hệ thống điều chỉnh điện áp kiểu phân tán, điều khiển tập trung 72 3.2.3 Khối điều khiển công suất phần tử hệ thống 79 Thuật toán điều khiển 82 v 3.3.1 Chương trình 82 3.3.2 Khối điều chỉnh độ không đối xứng điện áp (ĐC-KĐXDA) 83 3.3.3 Khối lọc sóng hài 85 3.3.4 Khối điều chỉnh bù CSPK- ĐCĐA 87 Kết luận 89 Chương MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG 91 Mô hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung 91 4.1.1 Các tham số hệ thống 91 4.1.2 Xấp xỉ hóa đường cong NEMA 92 4.1.3 Các kịch mô 93 4.1.4 Kết mô 95 Chế tạo thực nghiệm hệ thống BPT-ĐKTT 99 4.2.1 Thiết kế hệ thống 99 4.2.2 Hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung sau chế tạo 101 4.2.3 Lắp đặt thử nghiệm thiết bị 103 4.2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện nhà máy thông tin M1 104 4.2.5 Kết thực nghiệm 104 Kết luận 112 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 126 Sử dụng zero crossing để giúp giảm dao động điện áp đóng cắt nhánh hệ thống điều chỉnh điện áp phân tán 126 Thiết kế chế tạo hệ thống 128 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị {Qtt -Qb} (%) Ý nghĩa Hiệu suất động giảm có thay đổi điện áp đặt động pbu (kW/kVAr) Tổn thất công suất tác dụng đơn vị thiết bị bù Pbu (kW) Tổn thất công suất tác dụng thiết bị bù PDC_KDB (kW) Tổn thất động điện khơng đồng có tính tới ảnh hưởng chất lượng điện áp tới hiệu suất Pdd (kW) Tổn thất đường dây PMBA (kW) Tổn thất máy biến áp PN (kW) Tổn hao công suất ngắn mạch máy biến áp P (kW) Tổng tổn thất công suất tác dụng l (km) Chiều dài cáp Ptt (kW) Cơng suất tác dụng tính tốn Qb (kVAr) Công suất thiết bị bù Qtt (kVAr) Công suất phản kháng tính tốn r0 (Ω/km) Điện trở cáp đơn vị dài Rht (Ω) Điện trở hệ thống điện RT1 (Ω) Điện trở MBA-T1 RT2 (Ω) Điện trở MBA-T2 Sdm1 (MVA) Công suất định mức MBA-T1 Sdm2 (MVA) Công suất định mức MBA-T2 U1 (kV) Điện áp định mức phía cao áp MBA-T1 U2 (kV) Điện áp định mức phía hạ áp MBA-T2 Udc (V) Điện áp đặt động Udm (V) Điện áp định mức động vii Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Uht (kV) Điện áp hệ thống điện UN (%) Điện áp ngắn mạch MBA x0 (Ω/km) Điện kháng cáp đơn vị dài Xht (Ω) Điện kháng hệ thống điện XT1 (Ω) Điện kháng MBA-T1 XT2 (Ω) Điện kháng MBA-T2 INM(3) (kA) Dòng điện ngắn mạch pha DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AC/DC Alternating Current Direct Current / SCADA Supervisory Control And Data Acquisition Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu CPU Central Processing Unit Bộ điều khiển trung tâm DG Distributed Generation Nguồn phân tán FACTS Flexible Current System GTO Gate turn-off thyristor Thyristor khóa cực điều khiển HPF High pass filter Bộ lọc thông cao IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor có cực điều khiển Transistor cách ly IGCT Integrated Gate Cổng chuyển mạch tích hợp Commutated Thyristor thyristor Xoay chiều/ chiều Alternating Hệ thống truyền tải điện Transmission xoay chiều linh hoạt viii Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt MCU Microcontroller Unit Bộ vi điều khiển OLTC On-load tap changer Điều chỉnh áp tải PLL Phase-locked loop Vịng Khóa pha PWM Pulse Width Modulation Bộ điều chế độ rộng xung RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối STATCOM Static Synchronous Bộ bù đồng tĩnh Conpensator SVC Static Var Compensator TCR Thyristor Reactor Controlled Cuộn kháng điều khiển Thyristor THD Total Distortion Harmonic TSC Thyristor Capacitor Switched Tụ điện đóng mở trực tiếp Thyristor VSC Voltage Source Converter Bộ nghịch biến đổi nguồn áp VUF Voltage Factor Unbalance Thiết bị bù tĩnh Tổng biến dạng sóng hài Hệ số cân điện áp BI Biến dòng BPT-ĐKPT Bù phân tán điều khiển phân tán BPT-ĐKTT Bù phân tán điều khiển tập trung BU Biến áp CLĐA Chất lượng điện áp CLĐN Chất lượng điện CSPK Công suất phản kháng CSTD Công suất tác dụng ĐC ĐAKĐX Điều chỉnh điện áp không ix Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt đối xứng ĐCĐA Điều chỉnh điện áp ĐCĐAPT-ĐKTT Điều chỉnh điện áp phân tán điều khiển tập trung ĐC-KĐB Động không đồng KDX Độ không đối xứng KT Kích từ PT Phân tán TĐK Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ THDI Tổng sóng hài dịng điện THDU Tổng sóng hài điện áp x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ảnh hưởng giá trị điện áp đến hiệu suất động ứng với mức độ tải khác 12 Hình 1.2 Sự phụ thuộc cơng suất đầu vào động theo điện áp 13 Hình 1.3 Tổn thất công suất sắt từ theo điện áp bất đối xứng 14 Hình 1.4 Hệ số giảm tải động cơng suất trung bình theo độ không đối xứng điện áp 14 Hình 1.5 Sự thay đổi điện trở, hệ số tự cảm điện kháng mạch rotor theo sóng hài 15 Hình 1.6 Sự thay đổi nhiệt độ phận động không đồng 4kW, cực đầy tải sóng hài điện áp 16 Hình 1.7 Sự thay đổi tổn thất cơng suất sóng hài điện áp bậc động không đồng cực công suất 4kW 55kW, chế độ tải khác 17 Hình 1.8 Sự thay đổi hiệu suất động sóng hài điện áp bậc 17 Hình 1.9 Sơ đồ thay đồ thị véctơ điện áp máy phát 19 Hình 1.10 Cấu trúc số loại lọc hài thụ động 22 Hình 1.11 Bộ lọc hài tích cực lai song song 23 Hình 1.12 Bộ lọc hài tích cực lai nối tiếp 23 Hình 1.13 Phương pháp bù tĩnh đóng cắt theo bậc 25 Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý thiết bị SVC 27 Hình 1.15 Sơ đồ khối phương pháp điều chỉnh theo điện áp SVC 27 Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý thiết bị bù lai 29 Hình 1.17 Sự thay đổi độ lệch điện áp theo tỷ lệ điểm nút đặt thiết bị bù công suất phản kháng 32 Hình 1.18 Độ thay đổi hệ số cơng suất theo tỷ lệ điểm nút đặt thiết bị bù công suất phản kháng 32 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối 38 Hình 2.2 Sơ đồ thay lưới điện 39 122 Transmission Systems, B R Andersen and S L Nilsson, Eds., in CIGRE Green Books Cham: Springer International Publishing, 2020, pp 1063– 1070 doi: 10.1007/978-3-030-35386-5_23 [67] I Khan, M A Mallick, M Rafi, and M S Mirza, ‘Optimal placement of FACTS controller scheme for enhancement of power system security in Indian scenario’, Journal of Electrical Systems and Information Technology, vol 2, no 2, pp 161–171, Sep 2015, doi: 10.1016/j.jesit.2015.03.013 [68] M Gupta, V Kumar, G K Banerjee, and N K Sharma, ‘Mitigating Congestion in a Power System and Role of FACTS Devices’, Advances in Electrical Engineering, vol 2017, pp 1–7, Jan 2017, doi: 10.1155/2017/4862428 [69] F Nepsha, V Voronin, R Belyaevsky, V Efremenko, and K Varnavskiy, ‘Application of FACTS Devices in Power Supply Systems of Coal Mines’, E3S Web Conf., vol 174, p 03026, 2020, doi: 10.1051/e3sconf/202017403026 [70] S Mirsaeidi et al., ‘Optimization of FACTS Devices: Classification, Recent Trends, and Future Outlook’, in 2021 IEEE 4th International Electrical and Energy Conference (CIEEC), Wuhan, China: IEEE, May 2021, pp 1–8 doi: 10.1109/CIEEC50170.2021.9510336 [71] A Siddique, Y Xu, W Aslam, and M Rasheed, ‘A Comprehensive Study on FACTS Devices to Improve the Stability and Power Flow Capability in Power System’, in 2019 IEEE Asia Power and Energy Engineering Conference (APEEC), Chengdu, China: IEEE, Mar 2019, pp 199–205 doi: 10.1109/APEEC.2019.8720685 [72] V Yarlagadda, K R M Rao, and B V S Ram, ‘Hardware Circuit Implementation of Automatic Control of Static Var Compensator (SVC) using Micro Controller’, IJICA, pp 159–162, Oct 2011, doi: 10.47893/IJICA.2011.1029 [73] Q Salem, ‘Overall Control Strategy of Grid Connected to Wind Farm Using FACTS’, BIJPSIC, vol 4, no 1, pp 05–13, Feb 2014, doi: 10.9756/BIJPSIC.10289 [74] J D Ainsworth, M Davies, P J Fitz, K E Owen, and D R Trainer, ‘Static VAr compensator (STATCOM) based on single-phase chain circuit converters’, IEE Proc., Gener Transm Distrib., vol 145, no 4, p 381, 1998, doi: 10.1049/ip-gtd:19982032 [75] Prachi P Khadatkar and Dinesh D Majumdar, ‘Reactive Power Compensation using STATCOM’, Dinesh D Majumdar, vol 4, no 30, pp 1–4, 2016 [76] T A Boghdady and Y A Mohamed, ‘Reactive power compensation using 123 STATCOM in a PV grid connected system with a modified MPPT method’, Ain Shams Engineering Journal, vol 14, no 8, p 102060, Aug 2023, doi: 10.1016/j.asej.2022.102060 [77] В.В Карагодин and Д.В Рыбаков, ‘Оптимизация Размещения Устройств Компенсации Реактивной Мощности В Распределительных Электрических Сетях’, Вопросы электромеханики, p T144, 2015 [78] V V Karagodin and D V Ribakov, ‘Optimization of arrangement of reactive power compensation devices in electric distribution network of special object’, Izv vysš učebn zaved., Priborostr., pp 823–829, Oct 2015, doi: 10.17586/0021-3454-2015-58-10-823-829 [79] X Qiao, J Bian, C Chen, and H Li, ‘Comparison and Analysis of Reactive Power Compensation Strategy in Power System’, in 2019 IEEE Sustainable Power and Energy Conference (iSPEC), Beijing, China: IEEE, Nov 2019, pp 689–692 doi: 10.1109/iSPEC48194.2019.8975301 [80] S S Kanojia and Suketu Rajyaguru, ‘Reactive Power Compensation for LV Distribution Network’, International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, vol 8, no 6, 2019 [81] S X Chen, Y S Foo Eddy, H B Gooi, M Q Wang, and S F Lu, ‘A Centralized Reactive Power Compensation System for LV Distribution Networks’, IEEE Trans Power Syst., vol 30, no 1, pp 274–284, Jan 2015, doi: 10.1109/TPWRS.2014.2326520 [82] H K Nguyen, H Mohsenian-Rad, A Khodaei, and Z Han, ‘Decentralized Reactive Power Compensation Using Nash Bargaining Solution’, IEEE Trans Smart Grid, vol 8, no 4, pp 1679–1688, Jul 2017, doi: 10.1109/TSG.2015.2500729 [83] M Kosari and S H Hosseinian, ‘Decentralized Reactive Power Sharing and Frequency Restoration in Islanded Microgrid’, IEEE Trans Power Syst., vol 32, no 4, pp 2901–2912, Jul 2017, doi: 10.1109/TPWRS.2016.2621033 [84] F Rezaei and S Esmaeili, ‘Decentralized reactive power control of distributed PV and wind power generation units using an optimized fuzzybased method’, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol 87, pp 27–42, May 2017, doi: 10.1016/j.ijepes.2016.10.015 [85] Bingnan Jiang and Yunsi Fei, ‘Decentralized scheduling of PEV on-street parking and charging for smart grid reactive power compensation’, in 2013 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT), Washington, DC: IEEE, Feb 2013, pp 1–6 doi: 10.1109/ISGT.2013.6497811 [86] A F Savadkouhi, F Elyasichamazkoti, and M F Fard, ‘Decentralized 124 Reactive Power Sharing in Autonomous Microgrids’, in 2021 IEEE Electrical Power and Energy Conference (EPEC), Toronto, ON, Canada: IEEE, Oct 2021, pp 75–80 doi: 10.1109/EPEC52095.2021.9621415 [87] S Bolognani, R Carli, G Cavraro, and S Zampieri, ‘A distributed control strategy for optimal reactive power flow with power and voltage constraints’, in 2013 IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm), Vancouver, BC, Canada: IEEE, Oct 2013, pp 115–120 doi: 10.1109/SmartGridComm.2013.6687943 [88] S Lin et al., ‘Robust Optimal Allocation of Decentralized Reactive Power Compensation in Three-Phase Four-Wire Low-Voltage Distribution Networks Considering the Uncertainty of Photovoltaic Generation’, Energies, vol 12, no 13, p 2479, Jun 2019, doi: 10.3390/en12132479 [89] E V Tumaeva, S S Kuzin, and E N Gavrilov, ‘Minimization of active capacity losses in cable power lines of 0.4 kV using optimally distributed compensating devices at petrochemical and oil refining enterprises’, IOP Conf Ser.: Mater Sci Eng., vol 643, no 1, p 012100, Nov 2019, doi: 10.1088/1757-899X/643/1/012100 [90] B Couraud et al., ‘Assessment of Decentralized Reactive Power Control Strategies for Low Voltage PV Inverters’, in 2019 8th International Conference on Power Systems (ICPS), Jaipur, India: IEEE, Dec 2019, pp 1–6 doi: 10.1109/ICPS48983.2019.9067367 [91] L F Ochoa and G P Harrison, ‘Minimizing Energy Losses: Optimal Accommodation and Smart Operation of Renewable Distributed Generation’, IEEE Trans Power Syst., vol 26, no 1, pp 198–205, Feb 2011, doi: 10.1109/TPWRS.2010.2049036 [92] S Kalambe and G Agnihotri, ‘Loss minimization techniques used in distribution network: bibliographical survey’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 29, pp 184–200, Jan 2014, doi: 10.1016/j.rser.2013.08.075 [93] H A Mostafa, R El-Shatshat, and M M A Salama, ‘Multi-Objective Optimization for the Operation of an Electric Distribution System With a Large Number of Single Phase Solar Generators’, IEEE Trans Smart Grid, vol 4, no 2, pp 1038–1047, Jun 2013, doi: 10.1109/TSG.2013.2239669 [94] R A Jabr, ‘Minimum loss operation of distribution networks with photovoltaic generation’, IET Renewable Power Generation, vol 8, no 1, pp 33–44, Jan 2014, doi: 10.1049/iet-rpg.2012.0213 [95] M Farivar, C R Clarke, S H Low, and K M Chandy, ‘Inverter VAR control for distribution systems with renewables’, in 2011 IEEE International Conference on Smart Grid Communications 125 (SmartGridComm), Brussels, Belgium: IEEE, Oct 2011, pp 457–462 doi: 10.1109/SmartGridComm.2011.6102366 [96] L Sun, X Jian, and W Yuan, ‘The Application and Practice of the Voltage Reactive Power Optimization Automatic Control System (AVC)in the Power Grid of Wuhu Region’, Int J Onl Eng., vol 12, no 02, p 10, Feb 2016, doi: 10.3991/ijoe.v12i02.5036 [97] S Bolognani and S Zampieri, ‘A Distributed Control Strategy for Reactive Power Compensation in Smart Microgrids’, IEEE Trans Automat Contr., vol 58, no 11, pp 2818–2833, Nov 2013, doi: 10.1109/TAC.2013.2270317 [98] M E Elkhatib, R E Shatshat, and M M A Salama, ‘Decentralized Reactive Power Control for Advanced Distribution Automation Systems’, IEEE Trans Smart Grid, vol 3, no 3, pp 1482–1490, Sep 2012, doi: 10.1109/TSG.2012.2197833 [99] A H Bonnett, ‘The impact that voltage and frequency variations have on AC induction motor performance and life in accordance with NEMA MG1 standards’, in Conference Record of 1999 Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference (Cat No.99CH36338), Seattle, WA, USA: IEEE, 1999, pp 16–26 doi: 10.1109/PAPCON.1999.779341 [100] R E Arajo, Ed., Induction Motors - Modelling and Control InTech, 2012 doi: 10.5772/2498 [101] Miloje M Kostic and Branka Kostic, ‘Motor Voltage High Harmonics Influence to Efficient Energy Usage’, in 15th WSEAS International Conference on Systems, Corfu Island, Greece: 15th WSEAS International Conference on Systems, Jul 2011, pp 276–281 [102] AustinH.Bonnett and RobBoteler, ‘The Impact That Voltage Variations Have on AC Induction Motor Performance’, Pulp and Paper- IEEE, 1999 [103] Cyndi Nyberg and EASA Technical Support Specialist, ‘The Effects Of High Or Low VoltageOn The Performance Of A Motor’, www.easa.com, Aug 2000, [Online] Available: https://www.scribd.com/document/300237849/Effects-of-High-or-LowVoltage [104] EPA, ‘Transportable Gasifier for On-Farm Disposal of Animal Mortalities’, Office of Research and Development National Homeland Security Research Center Decontamination and Consequence Management Division, U.S Environmental Protection Agency, EPA/600/R-16/059, Oct 2016 [Online] Available: www.epa.gov/homeland-security-research 126 PHỤ LỤC Sử dụng zero crossing để giúp giảm dao động điện áp đóng cắt nhánh hệ thống điều chỉnh điện áp phân tán Xét sơ đồ mạch điện đơn giản Ltđ Rtđ i E C ĐK Hình 5.1 Sơ đồ thiết bị bù đóng cắt sử dụng thyristor Trong đó: Ltđ Rtđ - cảm kháng điện trở tương đương hệ thống điện; C - điện dung tụ điện; ĐK - phát xung điều khiển thyristor; E I - điện áp dịng điện mạch Do cơng suất thiết bị bù so với hệ thống nhỏ ta coi hệ thống phía vơ lớn với điện trở, điện kháng nguồn điện E Sơ đồ viết thành phương trình sau: L tđ di + R tđi + i dt = e = E - Uc(0) dt C (5.1) Phương trình viết Laplace: L td pI(p) + R td I(p) + I(p) E ( psin +ωcos ) U C (0) = Cp (p +ω2 ) p Với: Uc(0) - góc pha ban đầu tụ điện thời điểm đóng (V) φ - góc pha ban đầu hệ thống điện thời điểm đóng cắt Dạng dịng điện mạch là: (5.2) 127 I(p)= CEp ( psin +ωcos ) - CU C (0)(p +ω2 ) F1 (p) = (L td Cp +R td C p+1)(p +ω2 ) F2 (p) (5.3) Từ phương trình này, ta dễ dàng tìm dạng dịng điện điện áp độ tụ điện cho hình từ Hình 5.2 đến Hình 5.4 Có thể thấy rằng, giá trị cực đại dòng điện điện áp đóng cắt tụ điện phụ thuộc lớn vào chênh lệch điện áp tụ điện điện áp nguồn thời điểm đóng cắt Sự chênh lệch nhỏ, trình độ diễn nhanh ngược lại Với chu kỳ khoảng 0,02s việc đóng cắt thời điểm cần thiết chu kỳ với thiết bị khí điều khơng thể Việc đóng cắt thực với thiết bị điện tử Hình 5.2 Đóng cắt thời điểm, UC = 0; E =Umax Hình 5.3 Đóng tụ UC = 0,866Umax , E=Umax 128 Hình 5.4 Đóng tụ thời điểm UC = Umax, E = Umax Thiết kế chế tạo hệ thống Do chức thiết bị cần nhiều đầu vào để thực chức năng, luận án sử dụng chip Atmega 2560 Đặc trưng vi điều khiển Atmega 2560 bit hãng Atmel sử dụng luận án sau: - Dung lượng nhớ: 64KB Flash; 4KB EEPROM; 8KB SRAM - 02 Timer/Counter bit; 04 Timer/Counter 16 bit - 04 PWM bit; 12 PWM 16 bit - 16 kênh ADC 10 bit - Truyền nối chuẩn SPI, I2C, 04 USART - 86 chân I/O lập trình - Bộ so sánh analog chip - Tốc độ xử lý lên tới 16MHz 1) Khối đo lường Từ phân tích chương luận án đề xuất sử dụng đo tín hiệu ADE 7880 Đây IC đo lường nhiều pha có tích hợp thêm chức kiểm sốt sóng hài hãng Analog Devices Mỹ sản xuất Sơ đồ chân điều khiển ADE điều khiển thể Hình 5.5 ADE 7880 IC có độ xác cao, cho phép đo tín hiệu ba pha cơng suất, điện năng, dịng điện, điện áp, tính tốn giá trị hiệu dụng sóng hài từ bậc 129 tới bậc 63 với độ xác cao IC tính tốn THD dịng điện điện áp Ngồi ra, ADE 7880 ghi lại dạng sóng số liên quan đến CLĐA (như điện áp thấp, điện áp cao, dịng điện q độ, ) Hình 5.5 Sơ đồ chân điều khiển ADE 7880 2) Khối chuyển đổi chuẩn hóa Trước đưa tín hiệu dịng áp vào ADE, tín hiệu cần lọc, giảm giá trị, chuẩn hóa tín hiệu biến dịng đo lường, trở Shunt mạch phân áp, mạch lọc tạo tín hiệu phù hợp đưa vào ADE Mạch dịng điện: Thơng thường, thiết bị điện thường tiêu thụ cơng suất lớn từ vài trăm tới vài nghìn ampe Do tín hiệu dòng điện thường qua TI để biến đổi dòng điện lớn lưới từ vài trăm tới vài nghìn ampe thành dịng điện 1A 5A theo tiêu chuẩn Ở Việt Nam, thiết bị thường sử dụng biến dòng với dòng điện thứ cấp 5A nên ta lựa chọn thiết bị phù hợp với dòng điện 5A Do dòng điện 5A lớn IC ADE7880, cần phải có biến đổi dịng điện để biến thành điện áp nhỏ để đưa tín hiệu vào IC Luận án đề xuất mạch biến đổi dòng điện thể Hình 5.6 ADE7880 đo dịng điện pha dịng trung tính Có cách để thiết kế mạch dòng điện cho ADE sử dụng máy biến dòng điện (TI) cuộn Rogowski Dòng điện phía thứ cấp máy biến dịng biến đổi 130 thành điện áp thông qua điện trở Shunt R1, R2 tín hiệu qua lọc tần số đưa vào ADE7880 Hình 5.6 Mạch đầu vào dòng điện ADE 7880 Mạch điện áp: Để tránh nhiễu trình đo, điện áp lưới điện đưa trực tiếp vào ADE7880 Điện áp đưa qua mạch phân áp Sơ đồ mạch phân áp thể Hình 5.7 131 Hình 5.7 Sơ đồ mạch điện áp 3) Khối cách ly với xử lý Do ADE7880 kết nối trực tiếp với điện áp lưới, cần có hệ thống cách ly tín hiệu ADE với xử lý Hệ thống cách ly sử dụng Adum 3401 Sơ đồ khối cách ly Hình 5.8 Hình 5.8 Khối cách ly ADE7880 xử lý 132 4) Nguồn mạch đo lường Hệ thống nguồn nuôi ADE 7880 cách ly khỏi mạch xử lý trung tâm (Hình 5.9) Hình 5.9 Mạch nguồn mô đun đo lường Dựa vào sơ đồ nguyên lý, mạch in điều khiển đo lường thiết kế Hình 5.10 Trên sở mạch in mô đun đo lường, mô đun đo lường chế tạo thể Hình 5.11 Hình 5.10 Mạch in mơ đun đo lường Hình 5.11 Mơ đun đo lường điều khiển 5) Khối đầu điều khiển Khối đầu điều khiển nhằm mục đích điều khiển đóng cắt thiết bị thyristor cơng suất Khối gồm phần là: khối cách ly quang khối điều khiển (Hình 5.12) 133 Hình 5.12 Hệ thống cách ly quang đóng cắt tụ điện 6) Khối hiển thị Khối hiển thị sử dụng hình LCD cho phép hiển thị tham số mạch điện, thành phần sóng hài lọc Sơ đồ khối hiển thị hình LCD thể Hình 5.13 Hình 5.13 Sơ đồ kết nối khối hiển thị 134 7) Khối bàn phím Khối đầu vào điều khiển thiết kế gồm phím bấm cho phép người sử dụng đặt lệnh điều khiển đóng/ngắt tụ điện điều chỉnh góc mở cuộn kháng cách theo mong muốn Khối cịn cho phép người dùng chọn hiển thị/khơng hiển thị tham số hình LCD Ngồi cịn có khối vào mở rộng có nhiệm vụ nhận tín hiệu cảnh báo điều khiển thiết bị đầu khác theo yêu cầu người dùng Sơ đồ khối phím điều khiển Hình 5.14 Hình 5.14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bàn phím 8) Khối ghi tín hiệu hoạt động: Nhiệm vụ khối ghi lại chi tiết hoạt động thiết bị bù lai suốt q trình làm việc Các thơng số lưu lại nhớ phụ SD card nhằm giúp cho người sử dụng xem xét, phân tích cố diễn trình làm việc hiệu chỉnh lại thiết bị xảy sai sót cách dễ dàng Sơ đồ nguyên lý khối cho Hình 5.15 Hình 5.15 Khối ghi tín hiệu hoạt động thiết bị Để thuận tiện cho việc mở rộng công suất thiết bị hạn chế sóng hài, bù cơng suất phản kháng, mạch in khối điều khiển trung tâm chia thành phần riêng rẽ: phần xử lý trung tâm phần mô đun điều khiển công suất thiết bị Mạch in phần Hình 5.16 Hình 5.17 135 Hình 5.16 Mạch in mơ đun điều khiển trung tâm Hình 5.17 Mạch in mô đun điều khiển công suất thiết bị 136