Trang 11 10 MỞ ĐẦU Chất lượng điện năng là một trong mối quan tâm trong thời đại hiện nay, nó càng trở nên quan trọng hơn hết với sự phát triển của các thiết bị mà đặc tính vận hành của
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRẦN VĂN VŨ
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ BÙ ÁP NHANH
CHO MẠNG ĐIỆN TRUNG ÁP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN
170667494766616278124-e4b6-4da4-b20a-253af5de6762
1706674947666035c4ced-fc14-45e5-b78d-ac46db05cd19
1706674947667ef3fce45-43ae-4ee5-bf5f-702372304545
Trang 21
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8
MỞ ĐẦU 10
CHƯƠNG 1 : CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 11 1.1 Các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng 11
1.1.1.Lõm điện áp 13
1.1.2 Mất điện tạm thời 14
1.1.3 Vấn đề sóng hài 14
1.2 Các định nghĩa và tiêu chuẩn liên quan đến hiện tượng lõm điện áp 15
1.3 Phân loại lõm điện áp 17
1.3.1 Lõm điện áp một pha 17
1.3.2.Lõm điện áp pha với pha 17
1.3.3 Lõm điện áp ba pha 18
1.3 Nguyên nhân và hậu quả của hiện tượng lõm điện áp gây ra 18
1.4 Xu hướng mới trong vấn đề chất lượng điện năng 19
1.5 Các giải pháp cho việc nâng cao chất lượng điện năng 20
1.5.1.Sử dụng bộ cấp nguồn điện liên tục – UPS 22
1.5.2 Sử dụng bộ bù áp nhanh – DVR 22
1.5.3 Sử dụng bộ khóa chuyển đổi tĩnh -SSTS 23
1.6 Kết luận 26
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ CẤU TRÚC CỦA BỘ BÙ ÁP NHANH DVR 27
2.1 Cấu hình cơ bản của bộ DVR 27
2.1.1 Khối lưu trữ điện năng 28
2.3.2 Nghịch lưu nguồn áp (VSI) 32
2.3.3 Bộ lọc sóng hài 35
2.3.4 Khóa chuyển mạch dẫn vòng 36
Trang 32
2.3.5.Máy biến áp bù 36
2.3.6 Hệ thống bảo vệ và mạch nạp DC 40
2.3 Vị trí của bộ DVR trong hệ thống điện 40
2.3.1.Vị trí của bộ DVR ở mạng điện trung áp 41
2.3.2.Vị trí của bộ DVR ở mạng điện hạ áp 42
2.4 Cấu hình mạch lực của bộ DVR 43
2.5 Mạch tương đương của bộ bù áp nhanh DVR 44
2.6 Nguyên lý hoạt động của bộ DVR 45
2.6.1 Chế độ bù điện áp (VDVR>0) 45
2.6.2.Trong chế độ dự phòng (VDVR=0) 45
2.6.3.Chế độ bảo vệ khi có sự cố 45
2.7 Kết luận 46
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BÙ ÁP NHANH DVR 47
3.1 Các chiến thuật bù áp dụng cho bộ bù áp DVR 47
3.1.1 Bù trước khi lõm 50
3.1.2 Bù đồng pha 52
3.1.3.Phương pháp tối ưu hóa năng lượng 53
3.1.4 Bù kết hợp 53
3.2 Các chiến lược điều khiển bộ nghịch lưu Inverter 54
3.2.1 Điều khiển tuyến tính 55
3.2.2 Điều khiển phi tuyến 56
3.3 Các phương pháp phát hiện lõm điện áp 57
3.3.1 Phương pháp giá trị đỉnh 57
3.3.2 Phương pháp giá trị hiệu dụng (rms) 58
3.3.3 Biến đổi Fourier (FT) 58
3.3.4 Phương pháp vecto không gian 58
3.4 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ DVR 60
3.4.1 Yêu cầu về chức năng điều khiển 60
Trang 43
3.4.2 Thuật toán điều khiển 60
3.5 Tính toán và thiết lập các giá trị của bộ DVR 63
3.5.1 Tính toán các giá trị của bộ bù áp nhanh DVR 63
3.5.2.Thiết lập mô hình mô phỏng trong Matlab/Simulink 67
3.6 Mô phỏng, đánh giá và thảo luận 69
3.6.1 Tiến hành mô phỏng trên Matlab/Simulink 69
3.6.2 Đánh giá và thảo luận 76
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78
Trang 54
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn cao học: “Tính toán, thiết kế bộ bù áp nhanh cho mạng điện trung áp - DVR” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Các số liệu và kết quả thu được là hoàn toàn trung
thực, phù hợp với thực nghiệm mà tôi đã tiến hành
Để hoàn thành bản luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2014
Tác giả
Trần Văn Vũ
Trang 65
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ANN Artificial neural network Điều khiển mạng Noron
APF Active Power Filter Bộ lọc công suất tác dụng
BESS Batery Energy Storage
Hiệp hội những nhà sản xuất và kinh doanh máy tính
FACTS Flexible AC Transmission
System
Hệ thống truyền tải nguồn xoay chiều linh hoạt
FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Furier nhanh
GTO Gate Turn Off Thyristor Thyrixto cắt (chuyển từ đóng sang) PCC Point of Common Coupling Điểm nối chung
PFC Power Factor Controller bộ điều khiển hệ số công suất
PWM Pulse Width Modulation Phương pháp điều chế độ rộng xung VSI Voltage Source Inverter Bộ nghịch lưu nguồn áp
THD Total Harmonic Distortion Độ méo sóng hài
IGBT Integrated Gate Bipolar
Transistor Tranzito lưỡng cực cổng tích hợp UPS Uninterruptible Power Supply Bộ cấp nguồn liên tục
SMES Super conducting Manegtic Hệ thống lưu trữ năng lượng siêu từ
Trang 76
SSTS Static Switch Transfer
IEEE Institute Of Electrical and
Electronics Engineers Viện kỹ sư điện và điện tử
IEC International Electrotechnical
Commission Ủy ban quốc tế về kỹ thuật điện
SVPWM Space Vector Pulse Width
Modulation Điều khiển vecto không gian PWM
PL Active Power Load Công suất tác dụng của tải
PDVR Active Power of DVR Công suất tác dụng của bộ DVR
Vsag Voltage Sag Điện áp trong quá trình lõm điện áp
Vpre-sag Voltage Pre- sag Điện áp trước khi lõm
Trang 87
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các vấn đề về chất lượng điện năng và ảnh hưởng của nó 13
Bảng 1.2 So sánh 3 giải pháp bảo vệ tải nhạy cảm từ dao động điện áp 23
Bảng 2.1 Bảng so sánh các thiết bị sử dụng trong khối lưu trữ điện năng 29
Bảng 3.1 Các thông số mô phỏng của bộ DVR 66
Trang 98
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống truyền tải, phân phối điện năng
Hình 1.2.Tiêu chuẩn 1159-1995 của IEEE về giảm điện áp
Hình 1.3 Đường cong CBEMA
Hình 1.4 Đường cong ITIC
Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của bộ UPS với khối lưu trữ điện năng
Hình 1.6 Cấu hình cơ bản bộ DVR với thiết bị lưu trữ năng lượng
Hình 1.7 Bộ khóa chuyển mạch tĩnh (SSTS) giữa 2 nguồn cung cấp
Hình 1.8 Sơ đồ khối của bộ bù áp nhanh DVR
Hình 2.1 Các thành phần cơ bản của bộ DVR
Hình 2.2 Bộ DVR với bộ lưu trữ năng lượng có điện áp DC hằng số
Hình 2.3 Bộ DVR với bộ lưu trữ năng lượng có điện áp DC biến đổi
Hình 2.4 Bộ DVR không có bộ lưu trữ điện năng và bộ Shunt ở phía nguồn cung cấp
Hình 2.5 Bộ DVR không có bộ lưu trữ điện năng và bộ Shunt ở phía tải
Hình 2.6 Cầu 3 pha Graetz và sự chuyển mạch của nó
Hình 2.7 Cấu hình nghịch lưu NPC và sự chuyển mạch của nó
Hình 2.8 Cấu hình nghịch lưu chữ H và sự chuyển mạch của nó
Hình 2.9 Vị trí của bộ lọc ở phía tải
Hình 2.10 Vị trí bộ lọc ở phía biến tần
Hình 2.11 Cách đấu cuộn sơ cấp máy biến áp bù theo cấu hình tam giác
Hình 2.12 Cách đấu cuộn sơ cấp máy biến áp bù theo cấu hình sao
Hình 2.13 Vị trí của bộ DVR trong lưới trung áp
Hình 2.14 Vị trí của bộ DVR trong lưới hạ áp
Hình 2.15 Mạch tương đương của bộ DVR
Hình 2.16 Bộ DVR ở chế độ bảo vệ
Hình 3.1 Các phương pháp bù ứng dụng trong bộ DVR
Hình 3.2 Phương pháp điều khiển cho bộ bù áp nhanh DVR
Trang 109
Hình 3.3.Phương pháp bù trước khi lõm ( bù cả biên độ và góc pha)
Hình3.4 Phương pháp bù đồng pha (chỉ bù về mặt biên độ)
Hình 3.5 Phương pháp tối ưu hóa năng lượng bù
Hình 3.6 Phương pháp kết hợp giữa bù trước lõm và bù đồng pha
Hình 3.7 Các phương pháp điều khiển ứng dụng cho bộ nghịch lưu
Hình 3.8 Giản đồ pha của SPLL
Hình 3.9 Thuật toán điều khiển cho bộ DVR
Hình 3.10 Thuật toán điều khiển cho bộ DVR sử dụng điều khiển tiền định dựa trên biến đổi dq
Hình 3.11 Sơ đồ thay thế của bộ bù áp nhanh
Hình 3.12.Sơ đồ mô phỏng trong phần mềm Matlab /Simulink
Hình 3.13.Điện áp tải tham chiếu - điện áp chuẩn
Hình 3.14 Điện áp nguồn bị lõm ở 15%, trong thời gian 0,2 (s)
Hình 3.15 Điện áp nguồn bị lõm ở 15%, trong hệ tọa độ dq
Hình 3.16 Điện áp bộ bù áp nhanh DVR ở lõm 15%
Hình 3.17 Điện áp của tải sau khi bù bởi bộ DVR ở lõm 15%
Hình 3.18 Điện áp nguồn bị lõm ở 40%, trong thời gian 0,2 (s)
Hình 3.19 Điện áp nguồn bị lõm ở 40%, trong thời gian 0,2 (s) trong tọa độ dq Hình 3.20 Điện áp bộ bù áp nhanh DVR ở mức lõm 40%
Hình 3.21 Điện áp tải sau khi được bù bởi bộ DVR ở mức lõm 40%
Hình 3.22 Điện áp tải bị lõm ở 70% trong thời gian 0,2 (s)
Hình 3.23 Điện áp tải bị lõm ở 70% trong thời gian 0,2 (s) ở hệ tọa độ dq
Hình 3.24 Điện áp DVR ở 70% trong thời gian 0,2 (s)
Hình 3.25 Điện áp tải sau khi bù ở mức lõm 70% trong thời gian 0,2 (s)
Trang 1110
MỞ ĐẦU
Chất lượng điện năng là một trong mối quan tâm trong thời đại hiện nay, nó càng trở nên quan trọng hơn hết với sự phát triển của các thiết bị mà đặc tính vận hành của nó càng nhạy cảm hơn với chất lượng điện năng như: hệ thống máy tính, các thiết bị bán dẫn,các cơ cấu gia công chính xác, hệ thống điều khiển tự động hóa….những thiết bị nhạy cảm này yêu cầu cao về chất lượng điện áp đặc biệt là với hiện tượng lõm điện áp, hiện tượng này xảy ra trong thời gian rất ngắn 0,5 chu
kỳ điện áp lưới đến 1 phút, tần suất lớn khi có sự cố trên đường truyền tải hoặc đường phân phối Do lõm điện áp nhiều thiết bị sẽ bị ngừng hoạt động, như các công tắc tơ, các biến tần, thiết bị điều khiển điện tử, dẫn đến cả dây chuyền có thể phải dừng lại, điều này có thể gây nên những hậu quả nghiêm trọng như : làm ngắt quãng dây chuyền sản xuất, làm cho các thiết bị vận hành sai quy trình, sai chức năng ảnh hưởng đến tuổi thọ, năng suất và chất lượng sản phẩm, từ đó ảnh hưởng đến doanh thu, tăng chi phí của doanh nghiệp Nắm bắt được xu thế đó, đã có rất nhiều thiết bị có thể đưa vào mạng điện của doanh nghiệp nhằm giảm thiểu và triệt tiêu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng như là: UPS, D-STARTCOM, STSS, DVR…
Trong đó, bộ bù áp nhanh DVR cho thấy hiệu quả về các mặt như: tác động nhanh, chính xác và hiệu quả về chi phí đầu tư…hiện nay, rất nhiều hộ tiêu thụ điện đã xây dựng, lắp đặt và vận hành bộ bù áp DVR này Cũng như cũng đã có rất nhiều đề tài, công trình nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề cấp thiết của thực tế này Luận văn là những đúc kết cô đọng nhất có thể về bộ bù áp nhanh, cấu hình cũng như các sách lược điều khiển, từ đó đưa ra được cấu trúc của bộ DVR về phần cứng, cấu hình về điều khiển cũng như khả năng ứng dụng, khả năng hoạt động thực tế…giúp cho nhà nghiên cứu, nhà sản xuất, nhà phân phối điện có cái nhìn sâu sắc hơn về bộ DVR và
từ đó tiếp tục cải tiến, hoàn thiện hơn trong những ứng dụng của doanh nghiệp mình
Trang 1211
CHƯƠNG 1 : CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN
NĂNG
1.1 Các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng
Hệ thống điện ngày nay là một mạng lưới tổ hợp với hàng trăm máy phát điện và hàng nghìn trung tâm phụ tải được kết nối với nhau thông qua đường dây truyền tải dài và mạng lưới phân phối
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống truyền tải, phân phối điện năng
Trong hệ thống truyền tải phân phối, điện áp được phát ra bởi các nhà máy điện có dạng hình sin với tần số là cố định Các hộ tiêu thụ điện năng cần nguồn liên tục có dạng sin, tần số cố định, điện áp đối xứng với giá trị hiệu dụng không đổi để tiến hành việc sản xuất kinh doanh Tuy nhiên, trong thực tế tryền tải hệ thống điện có nhiều tải phi tuyến, do đó ảnh hưởng đáng kể chất lượng của nguồn cung cấp điện
Do có tải phi tuyến cho nên dạng sóng của nguồn cung cấp bị thay đồi, điều này làm gia tăng các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng bởi vì một sự xáo trộnnào đó cũng có thể gây ra việc mất dữ liệu, gián đoạn việc sản xuất cho nên chất lượng điện năng đang nhận được sự quan tâm lớn [5]
Thuật ngữ chất lượng điện năng đã trở thành một trong những khái niệm quen thuộc từ những thập niên 1980 Khái niệm về chất lượng điện năng chủ yếu là 3 yếu
tố cấu thành chính: Độ tin cậy, chất lượng nguồn cung cấp và các dịch vụ khách hàng đi kèm [3]
Chất lượng nguồn điện năng là một vấn đề rộng nhưng có thể được phân chia thành hai loại chính là: chất lượng về điện áp và chất lượng về tần số Các vấn đề về chất lượng điện áp có liên quan với : lõm điện áp, lồi điện áp, điện áp thấp, điện áp cao, mất điện áp cung cấp…trong khi vấn đề chất lượng tần số có liên quan với: sóng hài và chuyển mạch
Trang 1312
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ các tải nhạy cảm ngày càng nhiều
do đó duy trì chất lượng điện năng là một trong những vấn đề then chốt, nhằm đáp ứng yêu cầu của việc tiêu thụ điện Lý do là với công nghệ sản xuất hiện đại yêu cầu nguồn liên tục, không gián đoạn, đặc biệt chất lượng điện năng cao để cung cấp cho việc vận hành các thiết bị nhạy cảm với điện áp như là các hệ thống điều khiển cao cấp, hệ thống tự động hóa, các kỹ thuật gia công chính xác, hệ thống máy tính, các thiết bị quang học
Chất lượng điện năng có thể giảm sút do 2 nguyên nhân chủ yếu là quá trình truyền tải và sự bất thường hộ tiêu thụ điện.Các bất thường trong hệ thống phân phối là chuyển đổi tải, khởi động động cơ, tải bị dao động và tải phi tuyến tính.Trong khi yếu tố sét và lỗi hệ thống có thể được coi là bất thường bên phía truyền tải Và theo
đó mỗi một hiện tượng khác nhau thì cần có cách điều tra, công cụ đo lường khác nhau nhằm tìm ra giải pháp thích hợp để khắc phục hoặc giảm thiểu những ảnh hưởng của chúng [5]
Ngày nay khái niệm chất lượng điện năng mang ý nghĩa rộng hơn Nó bao hàm toàn bộ các quan hệ phức tạp giữa nhà sản xuất và người tiêu dùng điện, từ nhà máy đến khách hàng cuối cùng Trong sản xuất và trong đời sống hàng ngày xuất hiện nhiều loại thiết bị, máy móc có yêu cầu cao về độ ổn định, tính liên tục của nguồn điện cung cấp Các hệ thống dịch vụ và sản xuất cũng thay đổi mối quan hệ giữa hoạt động sản xuất, khả năng cung cấp dịch vụ đáp ứng các nhu cầu của khách hàng như một trong những mối quan tâm hàng đầu Tóm lại những trục trặc nhỏ trong hệ thống cung cấp năng lượng có thể dẫn tới những tổn thất lớn về kinh tế Chính vì vậy ngày nay khách hàng đặt ra những tiêu chuẩn mà nhà sản xuất và phân phối điện phải đáp ứng Khách hàng thường có liên hệ với nhà cung cấp điện ngay
từ những khâu đầu tiên trong quá trình thiết kế, xây dựng, lắp đặt cũng như sử dụng hàng ngày để được đảm bảo cung cấp điện phù hợp nhất
Rất khó để đánh giá chính xác về mặt tác động của chất lượng điện năng nhưng có thể nói rằng việc gián đoạn đột xuất về nguồn có thể gây tổn thất hàng tỷ đồng Cùng với các chi phí hữu hình bị mất ( ảnh hưởng đến doanh thu), lãng phí nguyên
Trang 1413
vật liệu và làm hư hỏng thiết bị thì còn có các chi phí vô hình như lòng tin của khách hàng do việc giao hàng chậm
Bảng 1.1 Các vấn đề về chất lượng điện năng và ảnh hưởng của nó
Các hộ tiêu thụ điện sẽ chịu ảnh hưởng mạnh nhất của các hiện tượng: lõm điện áp,
mất nguồn ngắn hạn và sóng hài
1.1.1.Lõm điện áp
Là hiện tượng điện áp sụt giảm xuống tới 0,1 đến 0,9 p.u trong thời gian 0,5 chu kỳ điện áp lưới (10 ms ở 50 Hz) đến 1 phút [9] Lõm điện áp thường xuất hiện do có
sự cố trên đường truyền tải hoặc đường phân phối làm các thiết bị bảo vệ tác động,
do các động cơ công suất lớn khởi động Do lõm điện áp nhiều thiết bị sẽ bị ngừng hoạt động, như các công tắc tơ, các biến tần, thiết bị điều khiển điện tử, dẫn đến cả dây chuyền có thể phải dừng lại, điều này có thể gây nên những hậu quả nghiêm trọng
1 Điện áp cao Hư hại về mặt cách điện
2 Điện áp thấp Quá dòng cho moto
3 Điện áp không cân bằng Mô tơ bị nóng
4 Điện áp trung tính- đất Gây ra sự cố cho các thiết bị số
5 Gián đoạn điện áp Ngừng hoạt động hoàn toàn
6 Lõm điện áp Làm ngắt máy tính, PLC, biến tần… hoặc
hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ
7 Lồi điện áp Hư hại về mặt cách điện
8 Điện áp dao động Hệ thống chiếu sáng luôn bị chập chờn
Trang 1514
1.1.2 Mất điện tạm thời
Hiện tượng này xảy ra khi điện áp giảm đến 0 trong 1s đến 5 phút [9] Các hậu quả xảy ra cũng giống như lõm điện áp, tuy nhiên việc khắc phục sẽ phức tạp hơn nhiều
Một tương quan có thể được tìm thấy giữa bị gián đoạn và lõm điện áp Các biện pháp để giảm số lượng gián đoạn có thể tăng số lượng các lõm điện áp xảy ra Ví
dụ bằng việc có một hệ thống mắt lưới phân phối (dự phòng cao) số lượng gián đoạn đi xuống, nhưng lõm điện áp có thể xảy ra thường xuyên hơn và nặng hơn.Tuy nhiên, có sự khác nhau giữa ngắt điện (mất hoàn toàn điện áp) và lõm điện áp Ngắt điện xảy ra khi các thiết bị bảo vệ thực ra là ngắt mạch cung cấp phục vụ một khách hàng cụ thể Điều này thường chỉ xảy ra khi mà có lỗi xảy ra ở trên mạch đó Còn hiện tượng lõm điện áp xảy ra trong thời gian một lỗi trong những lỗi trên một phần lớn của hệ thống điện Lỗi trên đường cung cấp song song hoặc trên hệ thống truyền tải sẽ gây ra lõm điện áp nhưng sẽ không dẫn đến sự gián đoạn thực tế Vì vậy, lõm điện áp là thường xuyên hơn và nhiều hơn so với ngắt điện Nếu thiết bị nhạy cảm với lõm điện áp, thì tần suất của hiện tượng lõm điện áp sẽ nhiều hơn so với việc thiết bị chỉ nhạy cảm với ngắt nguồn
1.1.3 Vấn đề sóng hài
Sóng hài trở nên nghiêm trọng hơn do ngày càng có nhiều loại phụ tải phi tuyến được sử dụng như các bộ biến đổi bán dẫn, các phụ tải một pha hoặc do các quá trình phụ tải biến động nhanh
Sóng hài đặc trưng bởi hệ số méo phi tuyến tổng thể:
Trong đó h là bậc của sóng hài, số nguyên lần tần số cơ bản Độ méo phi tuyến sóng hài đối với dòng điện thể hiện rõ nhất tác động của méo phi tuyến đối với các thiết
bị trong hệ thống vì dòng điện mới phản ánh được công suất
ax 2 h h=2
M(1.1)
Trang 1615
Trong đó IL là dòng tải lớn nhất ở tần số cơ bản, lấy giá trị trung bình cho phụ tải trong 12 tháng cuối cùng
1.2 Các định nghĩa và tiêu chuẩn liên quan đến hiện tượng lõm điện áp
Chuẩn IEEE 1100-1992 định nghĩa một lõm điện áp như là hiện tượng “ Giảm giá trị hiệu dụng trong điện áp xoay chiều, ở tần số nguồn trong vòng nửa chu kỳ cho đến một vài giây” [5] Lưu ý rằng: Thuật ngữ của IEC gọi hiện tượng lõm/ võng là hiện tượng lún điều này có liên quan đến hiện tượng dịch pha Nếu điện áp được giảm xuống bằng không, sự xáo trộn này được cho là mất điện tạm thời Cách rõ ràng nhất để mô tả một lõm điện áp là việc giảm điện áp hiệu dụng, thời gian và có thể
đi kèm với hiện tượng dịch pha
Trong tiêu chuẩn 1159 -1995 của IEEE định nghĩa rất rõ ràng về hiện tượng lõm điện áp và các giá trị chỉ định của nó.“ Lõm điện áp được định nghĩa là hiện tượng
mà giá trị hiệu dụng thay đổi biên độ giữa khoảng 10% và 90% của giá trị danh định trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ cho đến 1 phút” [9]
ax 2 h h=2
m
h
I L
I T
I
Trang 1716
Hình 1.2.Tiêu chuẩn 1159-1995 của IEEE về giảm điện áp [6]
Đặc tính về hiện tượng lõm điện áp này được thiết lập bởi Hiệp hội sản xuất kinh doanh thiết bị máy tính, được minh họa bằng đường cong CBEMA như sau [6]:
Hình 1.3 Đường cong CBEMA
Trang 1817
Gần đây nhất, CBEMA đã đổi tên thành Hội đồng công nghiệp công nghệ thông tin (ITIC), và đường cong hiện tại cũng được thay đổi thành đường cong ITIC :
Hình 1.4 Đường cong ITIC
1.3 Phân loại lõm điện áp
Có 3 dạng lõm điện áp xảy ra tùy thuộc số lượng pha bị lõm như sau:
1.3.2.Lõm điện áp pha với pha
Lõm điện áp pha với pha thường xuất hiện do cành cây, thời tiết bất lợi, động vật hay là xe tải va chạm với cột điện gây nên hai pha, hoặc là pha với lõm điện áp pha
Trang 19Lõm điện áp 3 pha cân bằng có nguyên nhân từ việc khởi động các động cơ công suất lớn và nó góp phần vào cỡ gần 20% của các hiện tượng lõm điện áp xảy ra trong các nhà máy công nghiệp và các tải phụ cận
1.3 Nguyên nhân và hậu quả của hiện tượng lõm điện áp gây ra
Có rất nhiều nguyên nhân gây ra lõm điện áp hệ thống điện Lõm điện áp thường xuyên xảy ra bởi việc khởi động các tải lớn như: động cơ, đóng điện máy biến áp, hay lỗi thiết bị, lỗi hệ thống truyền tải và phân phối [3] Các lỗi trên hệ thống truyền tải và phân phối có thể được tạo thành bởi nhiều nguồn khác nhau như: hiện tượng sét đánh, dây dẫn bị cháy nổ khi có bão, tiếp xúc với các vật thể như : cành cây, động vật…các sự cố ngắn mạch pha bởi cành cây, chim chóc hay là lỗi của con người như : đào đường, xe ôtô va chạm vào các cực điện…hoặc là do việc vận hành các loại thiết bị điện như là: máy hàn, máy luyện thép, các lò hồ quang…
Đặc tính của lõm điện áp là về mặt biên độ và thời gian xảy ra sự cố phụ thuộc chính vào nguyên nhân gây ra nó Nó là các sự kiện ngẫu nhiên, không đoán trước Tần số xuất hiện của nó phụ thuộc vào hệ thống cung cấp nguồn và điểm quan sát Thêm nữa, hệ thống phân phối sau nhiều năm vận hành sẽ trở nên bất thường hơn
Từ đó cho thấy rằng lõm điện áp là một trong những vấn đề cấp bách nhất liên quan đến chất lượng nguồn điện do việc sử dụng các thiết bị nhạy cảm với điện áp như: máy tính, hệ thống điều khiển quá trình,biến tần, hệ thống rơ le, các thiết bị quang…Điều này đặc biệt đúng trong các ứng dụng công nghiệp khi mà chỉ cần lõm điện áp trong thời gian ngắn cũng gây ra những tổn thất nghiêm trọng vì làm gián đoạn quá trình sản xuất, giảm doanh thu của doanh nghiệp
Trang 2019
1.4 Xu hướng mới trong vấn đề chất lượng điện năng
Từ những vấn đề phân tích về chất lượng điện năng ở trên cho thấy sự quan tâm đến chất lượng điện năng là cần thiết với những xu thế:
- Yêu cầu cao hơn về chất lượng điện năng ví dụ như những ngành công nghệ thông tin, các nhà máy sản xuất được tự động hóa, các hoạt động kinh doanh thương mại yêu cầu chất lượng nguồn điện phải tốt và tin cậy [6]
- Không độc quyền và thương mại hóa thị trường điện tạo ra chất lượng điện năng, một tham số quan trọng để đạt được một mức giá điện cao hơn cho mỗi kilowatt, nhằm tăng lợi nhuận và thị phần
- Quá trình phi tập trung hóa việc sản xuất điện lồng ghép các nguồn năng lượng thay thế và các nhà máy điện nhỏ đã làm gia tăng các vấn đề về chất lượng điện năng như dư thừa công suất, điện áp dao động và không ổn định
- Những cải tiến trong lĩnh vực điện tử công suất và khả năng xử lý dữ liệu có thể nâng cao chất lượng điện năng bằng các bộ điều khiển điện tử công suất có giá thành hợp lý
Xu hướng trên đã tạo ra rất nhiều các bộ điều khiển công suất nhằm giải quyết vấn
đề chất lượng điện năng nhất là vấn đề lõm điện áp Từ đó xuất hiện khái niệm về công nghệ biến đổi công suất (Custom Power Technology) , được giới thiệu lần đầu tiên bởi NG Hingorani trong năm 1995 Giống như hệ thống truyền tải linh hoạt (FACTS) cho các hệ thống truyền tải, nó cũng sử dụng các bộ điều khiển điện tử công suất trong hệ thống phân phối, đặc biệt là để giải quyết với vấn đề chất lượng điện khác nhau Nó đảm bảo việc khách hàng sẽ nhận được chất lượng điện năng có đặc tính kỹ thuật cho trước và độ tin cậy của nguồn cung cấp Chất lượng có đặc tính kỹ thuật cho trước này có thể chứa các đặc tính sau: thấp pha, mất cân bằng, không ngắt điện, chỉ số nhấp nháy thấp ở điện áp tải, sóng hài thấp trong điện áp tải, biên độ và thời gian quá áp/thấp áp trong giới hạn quy định, sự dao động cho phép,
độ phi tuyến và các tải có thông số thấp mà không có ảnh hưởng đáng kể đến điện
áp đầu cuối
Trang 2120
Công nghệ biến đổi công suất – Công nghệ CPT hay thiết bị biến đổi công suất – CPD là một thuật ngữ chung cho các thiết bị có khả năng giảm thiểu rất nhiều các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng Chức năng cơ bản là chuyển mạch nhanh, và dòng điện hoặc điện áp bù được bù vào cho những bất thường trong điện
áp cung cấp hoặc dòng điện tải, bằng cách bù hoặc hấp thụ công suất thực và công suất phản kháng, tương ứng
Các bộ điều khiển điện tử công suất được sử dụng trong các giải pháp biến đổi có thể là dạng cấu hình lại mạng điện hoặc là dạng bù Các thiết bị cấu hình lại mạng điện thường được gọi là trạm phân phối với việc tích hợp thiết bị hạn chế dòng điện, ngắt dòng và thiết bị chuyển đổi dòng
Các thiết bị có thể là : Bộ giới hạn dòng bán dẫn (SSCL), máy cắt bán dẫn (SSB),
bộ khóa chuyển mạch bán dẫn (SSTS)…trong khi các thiết bị bù là bù cho tải như :
hệ số công suất, điện áp không cân bằng hoặc cải thiện chất lượng điện năng của điện áp cung cấp Các thiết bị trên có thể được đấu song song (kiểu Shunt) hoặc là nối tiếp hay cũng có thể là kiểu kết hợp Ở dạng này gồm có các thiết bị như: Bộ bù đồng bộ tĩnh D-STATCOM, bộ bù áp nhanh- DVR, bộ biến đổi hợp nhất chất lượng điện năng - UPQC
Trong các thiết bị bù thì bộ bù áp nhanh DVR có khả năng bù hiện tượng lõm/ lồi điện áp ảnh hưởng nghiêm trọng đến nhà máy sản xuất như: bán dẫn, các sản phẩm nhựa, chế biến thực phẩm, nhà máy sữa, giấy…
1.5 Các giải pháp cho việc nâng cao chất lượng điện năng
Để giảm thiểu các tổn thất kinh tế do lõm điện áp mang lại cần thực hiện một số biện pháp Lõm điện áp phát sinh chủ yếu do các sự cố xảy ra trên mạng điện, vì vậy biện pháp đầu tiên là loại trừ các nguyên nhân dẫn đến sự cố Trong lưới truyền tải cần đảm bảo sự vững chắc của các cột đỡ đường dây, làm sạch sứ đỡ, lắp đặt các máy cắt tác động nhanh và các cuộn chặn tiếp đất
Trong lưới phân phối cần cắt tỉa cây gần đường dây, lắp đặt các bộ bẫy động vật, thiết kế hệ thống theo mạch vòng chứ không phải hình sao, lắp đặt các thiết bị bảo
Trang 22Một trong những ưu điểm chính của thiết bị FACTS là nó cho phép để tăng khả năng điều khiển và tối ưu hóa đường truyển mà không vượt quá các giới hạn nhiệt
Nó đảm bảo độ tin cậy cao hơn và chất lượng dòng điện tốt hơn đến các trung tâm phụ tải trong hệ thống phân phối bằng cách bù áp thành công cho các hiện tượng lõm điện áp,dâng áp, biến dạng hài hòa, gián đoạn và dao động, đó là những vấn đề thường gặp liên quan đến đường dây phân phối điện áp
Tuy nhiên các thiết bị này tương đối đắt tiền Vả lại không phải hộ tiêu thụ nào cũng cần mức độ bảo vệ như nhau và dịch vụ với giá thành cao cho các phụ tải không yêu cầu khắc nghiệt về chất lượng điện áp Vì vậy các thiết bị tương tự như FACTS nhưng được thiết kế phù hợp cho lưới phân phối, áp dụng riêng cho những phụ tải quan trọng, với công suất nhỏ hơn, giá thành thấp sẽ có tiềm năng ứng dụng nhiều hơn
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các sản phẩm thương mại nhằm cải thiện chất lượng điện năng như: Bộ lọc công suất tác dụng (APF), Hệ thống lưu trữ điện năng cục bộ bằng Acquy (BESS), Bộ bù đồng bộ tĩnh(DSTATCOM), Tụ bù nối tiếp (DSC), Bộ bù áp nhanh (DVR), bộ điều khiển hệ số công suất (PFC), bộ chống sét (SA), hệ thống lưu trữ năng lượng siêu dẫn từ (SMES), bộ khóa chuyển đổi tĩnh (SSTS), bộ nguồn cấp điện liên tục (UPS)…[3],[6]
Với vấn đề bù hiện tượng điện áp lõm trong số các thiết bị đã nêu trên thì có 3 thiết
bị có khả năng bù được đó là [4]:
Trang 2322
1.5.1.Sử dụng bộ cấp nguồn điện liên tục – UPS
Là một thiết bị chuyển đổi tĩnh với chuyển đổi kép nhằm giảm thiểu hầu hết các loại rối loạn chất lượng điện năng
Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của bộ UPS với khối lưu trữ điện năng
Bộ UPS gồm có hai khối chuyển đổi AC/DC và DC/AC, ngoài ra còn có đường dự phòng trong trường hợp cần bảo dưỡng Khối lưu trữ năng lượng thường dùng cho UPS là các khối Acquy được kết nối với đường DC Trong quá trình vận hành bình thường, thì nguồn xoay chiều qua bộ chuyển đổi AC/ DC rồi nạp tích trữ năng lượng cho Acquy, lúc này bộ Acquy ở chế độ chờ có nhiệm vụ duy trì điện áp DC, sau đó qua bộ chuyển đổi DC/AC cung cấp cho tải
Trong quá trình lõm hoặc ngắt nguồn, năng lượng sẽ được giải phóng từ các khối Acquy sẽ duy trì điện áp 1 chiều ở đường DC Tùy thuộc vào dung lượng của khối Acquy mà nó có thể duy trì điện áp cho tải trong vào một vài phút cho đến hàng giờ UPS thực sự chỉ dùng cho các thiết bị mà mức tiêu thụ năng lượng thấp như: máy tính…bởi vì giá rẻ, dễ vận hành và điều khiển Nhưng với những tải lớn thì cùng với suất đầu tư cao, tổn thất lớn do việc có 2 bộ biến đổi cũng như chi phí bảo dưỡng cho khối Acquy đã đẩy chi phí lên cao và thực sự đây là giải pháp ít khả thi
về mặt kinh tế
1.5.2 Sử dụng bộ bù áp nhanh – DVR
Là thiết bị kết nối nối tiếp có chức năng bù lõm điện áp và khôi phục điện áp tải trong trường hợp sụt giảm điện áp
Trang 2423
Hình 1.6 Cấu hình cơ bản bộ DVR với thiết bị lưu trữ năng lượng
1.5.3 Sử dụng bộ khóa chuyển đổi tĩnh -SSTS
Có chức năng chuyển đổi nguồn cấp từ nguồn bị sự cố sang nguồn an toàn cung cấp cho tải
Hình 1.7.Bộ khóa chuyển mạch tĩnh (SSTS) giữa 2 nguồn cung cấp
Bộ SSTS có 2 nguồn cấp độc lập nhau, khi một nguồn bị sự cố thì tải sẽ được cấp bởi nguồn còn lại do đó không làm gián đoạn việc cung cấp nguồn cho tải
Một số ưu, nhược điểm của 3 giải pháp dùng UPS, DVR, SSTS được tổng hợp trong bảng sau[6]:
Trang 2524
1 UPS - Có thể bù trong trường hợp
áp thiếu của nguồn cung cấp
- Tối ưu chi phí
- Có thế bù cho cả trường hợp ngắt nguồn hoặc lõm điện áp
- Tỉ số lợi ích/ chi phí cao nếu như có đường nguồn dự phòng
- Cần đường cấp nguồn ổn định
- Khó để đảm bảo về đường cấp
có ổn định hay không
- Tốc độ đáp ứng chậm
Bảng 1.2 So sánh 3 giải pháp bảo vệ tải nhạy cảm từ dao động điện áp
Trong bảng so sánh trên đề cập đến các chỉ tiêu tiết kiệm, giá thành của một kVA, chi phí vận hành hàng năm và tổng chi phí hàng năm với tỷ số lợi ích/ chi phí thì cho thấy: Bộ SSTS có tỷ số lợi ích/ chi phí là cao nhất nếu như có đường nguồn dự phòng còn nếu không có thì bộ DVR có thể là giải pháp hiệu quả nhất về mặt chi phí Tuy nhiên, các giải pháp tối ưu về kinh tế được đưa ra ứng dụng còn phụ thuộc vào thiết bị hiện tại, đặc điểm của từng lõm điện áp và chi phí của việc ngừng sản xuất do lõm gây ra
Bộ bù áp nhanh DVR là một thiết bị được tạo bởi kết nối nối tiếp mà ở đó điện áp
bù có thể điều khiển điện áp tải Với các tải nhạy cảm với điện áp trong trường hợp điện áp bị lõm thì DVR sẽ bù phần điện áp bị thiếu hụt và điện áp tải được phục hồi bằng với điện áp danh định trong vòng một vài giây và vì thế tránh được hiện tượng
bị ngắt nguồn cho tải
Trang 2625
Hình 1.8 Sơ đồ khối của bộ bù áp nhanh DVR
Vào tháng 8-1996,Tập đoàn Westinghouse Electric lắp đặt bộ bù áp nhanh DVR đầu tiên trên thế giới tại trạm 12.7 kV tại công ty điện lực Duke ở Anderson, phía nam bang Carolina Với công suất tải là 3,5 MVA, hệ số công suất 0,8 Bộ DVR có dung lượng là 2 MVA với 660 kJ năng lượng tích trữ được lắp đặt để bào vệ cho các tải của nhà máy sản xuất và đưa vào sử dụng vào tháng 9, năm 1996
Tiếp theo đó việc vận hành bộ DVR vào tháng 2, năm 1997 bởi Westinghouse ở hệ thống phân phối Powercor’s 22kV ở Stanhope, Victoria, Australia nhằm bảo vệ cho nhà máy sữa Tổng tải xấp xỉ 5,25 MVA và 2MVA DVR được lắp đặt Số tiền tiết kiệm từ việc lắp đặt trên ước tính trên 100,000 USD mỗi năm
Trong những giai đoạn phát triển tiếp theo, tập đoàn Westinghouse (bây giờ được tiếp quản bởi tập đoàn Siemens) đã cài đặt bộ bù áp nhanh DVR dạng gắn lên tường đầu tiên trên thế giới để bảo vệ tải cho trường cao đẳng cộng đồng Northern Lights
và một số tải nhỏ hơn khác ở Dawson Creek, British Colombia, Canada
Tập đoàn ABB cài đặt và vận hành chạy thử bộ bù áp nhanh lớn nhất thế giới trong tháng 8 năm 2000, tại Israel Hai hệ thống (mỗi hệ thống 22.5MVA) bảo vệ các cơ
sở sản xuất của một nhà sản xuất bộ vi xử lý nằm trong một môi trường sa mạc
Trang 2726
1.6 Kết luận
Lõm điện áp là một trong những vấn đề quan trọng liên quan đến các vấn đề về chất lượng điện năng Hậu quả của lõm điện áp thường làm cho các thiết bị nhạy cảm với sự biến động của điện áp làm gián đoạn quá trình sản xuất, các quá trình công nghệ Lõm điện áp thường kéo dài cho đến khi sự cố trong mạng điện được xóa và thường kéo dài từ một vài mili giây cho đến một vài giây
Ngày nay, độ tin cậy và chất lượng điện năng là một trong những chủ đề được thảo luận nhất trong ngành công nghiệp năng lượng Có rất nhiều loại của các vấn đề về chất lượng điện năng và vấn đề điện năng và mỗi người trong số chúng có thể khác khác và được tạo ra từ các nguyên nhân khác nhau Các vấn đề chất lượng điện năng mà khách hàng có thể gặp phải phân loại tùy thuộc vào các dạng sóng điện áp
bị bóp méo Bao gồm có quá trình quá độ, sự thay đổi thời gian ngắn (lõm, lồi, và bị gián đoạn), sự thay đổi thời gian dài (gián đoạn duy trì, điện áp thấp, điện áp cap),
sự mất cân bằng điện áp, dạng sóng bị biến dạng (sóng hài, nhiễu), dao động điện
áp và dao động tần số Trong số đó, hai vấn đề chất lượng điện năng đã được xác định là mối quan tâm lớn cho các khách hàng là lõm điện áp và sóng hài
Thông thường trong công nghiệp để tránh hiện tượng điện áp lõm thì thiết bị DVR thường hay được sử dụng, nó được cấu thành từ bộ biến đổi mạch ( Bộ nghịch lưu nguồn áp- VSI) và thiết bị lưu trữ năng lượng để phục hồi lại điện áp lưới
Chức năng chính của bộ bù áp nhanh DVR là bảo vệ các tải nhạy cảm từ hiện tượng lõm điện áp xảy ra trên lưới điện.Về cơ bản, DVR là một thiết bị nguồn điện áp được điều khiển để chèn vào giữa các mạng điện và tải quan trọng DVR đưa một điện áp vào mạng điện để bù bất kỳ một xáo trộn làm ảnh hưởng đến điện áp của tải quan trọng
Trang 2827
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ CẤU TRÚC CỦA BỘ BÙ ÁP NHANH DVR
Trong các vấn đề về chất lượng điện năng như đã đề cập ở chương 1 như : hiện tượng lõm điện áp,lồi điện áp, sóng hài… thì hiện tượng lõm điện áp là yếu tố nhiễu loạn thường xuyên xảy ra và nghiêm trọng nhất Để giải quyết được vấn đề này thì gần đây các thiết bị biến đổi công suất được đưa ra Một trong số đó là bộ bù áp nhanh - DVR, là thiết bị đạt được hiệu quả bảo vệ trong mạng lưới phân phối điện năng DVR là một thiết bị biến đổi công suất bù nối tiếp có khả năng bảo vệ các tải nhạy cảm với điện áp từ tất cả các nhiễu loạn khác (loại trừ việc ngắt nguồn) Bộ bù
áp có khả năng tạo ra hay điều khiển độc lập việc bù công suất thực và công suất phản kháng ở chính đầu ra của điện áp xoay chiều
Bộ bù áp nhanh có cấu trúc là các khóa chuyển mạch điện tử bán dẫn, sử dụng nghịch lưu với điều chế độ rộng xung (PWM) Nó sẽ đưa điện áp đầu ra xoay chiều
3 pha nối tiếp và đồng bộ với điện áp của đường phân phối đưa vào Biên độ và góc pha của điện áp được bù là biến cần điều khiển bằng cách điều khiển công suất thực
và công suất phản kháng trao đổi giữa thiết bị và hệ thống phân phối nguồn Phần nguồn một chiều đầu vào của bộ bù áp được kết nối với nguồn năng lượng hoặc thiết bị dự trữ năng lượng có dung lượng thích hợp Công suất phản kháng được trao đổi nội bộ giữa DVR và hệ thống phân phối và được tạo ra bởi bộ DVR mà không có các thành phần phản kháng thụ động xoay chiều Còn công suất thực thì được đưa đến bởi nguồn đầu vào DC từ nguồn bên ngoài hoặc từ hệ thống dự rữ điện năng Ngoài việc bù lõm điện áp và lồi điện áp, DVR còn có thể thêm một số chức năng như: bù sóng hài trong đường điện áp, giảm nhiễu trong điện áp và hạn chế dòng sự cố…
2.1 Cấu hình cơ bản của bộ DVR
Bộ DVR cơ bản bao gồm mạch lực và mạch điều khiển Mạch điều khiển được dùng để lấy được các thông số (cường độ, tần số, giai đoạn chuyển đổi ) của tín hiệu điều khiển mà được đưa vào bởi DVR Dựa trên tín hiệu điều khiển, điện
áp đặt được tạo ra bởi các thiết bị khóa chuyển mạch trong các mạch lực
Trang 29 Thiết bị lưu trữ năng lượng (ESU)
Biến tần nguồn áp (VSI)
Khóa chuyển mạch dẫn vòng
Hệ thống bảo vệ và mạch nạp DC
Hình 2.1 Các thành phần cơ bản của bộ DVR
2.1.1 Khối lưu trữ điện năng
Thiết bị lưu trữ điện năng hoạt động theo nguyên lý tích trữ năng lượng lúc tải nhỏ
và giải phóng năng lượng lúc cần thiết để đáp ứng đỉnh phụ tải có thể là chỉ trong một thời gian ngắn Nó được sử dụng với hai nhiệm vụ chính là để cung cấp các yêu cầu về nguồn thực cho việc bù trong trường hợp xảy ra lõm điện áp, còn trong điều kiện bình thường thì khối này có tác dụng nạp và tích trữ năng lượng Đặc điểm của
Trang 3029
các hệ thống tích trữ năng lượng trên đây là khả năng phát huy công suất trong thời gian rất ngắn ( cỡ 0,1ms đến 1s) phù hợp với thời gian xảy ra lõm điện áp hay nháy điện
Các thiết bị có thể làm chức năng của khối tích trữ năng lượng như là:
Hệ thống tích trữ năng lượng bằng acquy
Hệ thống dùng bánh đà vĩnh cửu (Flying Wheel)
Hệ thống tích trữ năng lượng dùng cuộn cảm siêu dẫn (SMESS)
Tụ thông thường
Siêu tụ
Trong thực tế khi lựa chọn thiết bị lưu trữ điện năng phụ thuộc vào yêu cầu về công suất thiết kế và tổng chi phí.Với tiêu chí đó thì Acquy axit chì được dùng phổ biến trong số những thiết bị nêu trên bởi khả năng tốc độ đáp ứng nhanh trong quá trình nạp và xả Tỷ lệ xả phụ thuộc vào phản ứng hóa học của Acquy cho nên năng .
lượng dự trữ sẵn có bên trong acquy được xác định bởi tỷ lệ xả của chính acquy đó Dung lượng của bình ắcquy thường được tính bằng ampe giờ (Ah), là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng này thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng
Trang 31- Chi phí bảo dưỡng cao
- Tuổi thọ hạn chế
- Thời gian huy động toàn
bộ công suất được dự trữ là lâu
- Sử dụng vật liệu không thân thiện với môi trường
2 Tụ thông
thường Điện năng
- Thời gian huy động toàn bộ công suất được dự trữ là nhanh
- Mật độ công suất cao <100 W/kg
- Mật độ năng lượng bị giới hạn <0.1 W-h/kg
3 Siêu tụ Điện năng
- Mật độ năng lượng cao (1-10 W-h/kg)
- Thời gian huy động toàn
bộ công suất được dự trữ chậm hơn so với tụ thông thường, thường được áp dụng cho cấp điện áp thấp
4 Bánh đà
vĩnh cửu Cơ năng
- Mật độ công suất cao
- Mật độ năng lượng thấp
- Tổn thất lớn vì sử dụng ở trục cơ khí
- Chi phí bảo dưỡng cao
- Hiệu suất cao
- Giá thành rất cao
Bảng 2.1 Bảng so sánh các thiết bị sử dụng trong khối lưu trữ điện năng [6]
Trang 3231
Khả năng bù lớn nhất của DVR trong quá trình lõm điện áp phụ thuộc vào số lượng nguồn tích cực được cung cấp bởi các thiết bị lưu trữ năng lượng Bộ DVR cần nguồn để cung cấp năng lượng, năng lượng này có thể được cung cấp từ hai dạng khác nhau: Một là dạng năng lượng được tích trữ để cung cấp và dạng năng lượng không có nguồn dự trữ bên trong mà năng lượng được lấy từ nguồn cung cấp
thông qua bộ chuyển đổi Shunt
Từ đó có thể đưa ra những cấu hình kết nối cho bộ lưu trữ điện năng như sau[7]:
a Cấu hình bộ DVR với lưu trữ năng lượng có điện áp DC là hằng số
Hình 2.2 Bộ DVR với bộ lưu trữ năng lượng có điện áp DC hằng số
b Cấu hình bộ DVR với lưu trữ năng lượng có điện áp DC biến đổi
Hình 2.3 Bộ DVR với bộ lưu trữ năng lượng có điện áp DC biến đổi
Trang 3433
chế độ rộng xung (PWMVSI) được sử dụng Một VSI là một hệ thống điện tử công suất bao gồm các thiết bị chuyển mạch và lưu trữ, nó có thể tạo ra điện áp hình sin ở mọi góc pha, biên độ và tần số yêu cầu Chức năng chính của VSI là chuyển đổi điện áp DC được cung cấp bởi khối thiết bị lưu trữ năng lượng (ESU) thành nguồn điện áp xoay chiều AC Trong ứng dụng của DVR thì bộ VSI chủ yếu ở là đưa ra một phần điện áp bị thiếu do quá trình lõm điện áp xảy ra
Trong mạch lực của DVR do biến áp tăng áp được sử dụng nên một VSI với dải điện áp thấp là đủ điều kiện để sử dụng
Các phương pháp kết nối trong nghịc lưu cầu 3 pha thường dung nhất là: Cầu biến tần Graetz 3 pha, biến tần với điểm trung tính kẹp, và biến tần cầu chữ H – H cho loại DVR 1 pha
a Cầu Graetz 3 pha
Cầu Graetz 3 pha thường biết đến với tên gọi là biến tần 3 pha 2 mức Mỗi nhánh cầu được chuyển mạch tùy thuộc vào phương pháp PWM được sử dụng Trong trường hợp chuyển mạch cơ bản được sử dụng và các khóa chuyển mạch được kích hoạt ON trong chu kì 180 0 với khoảng tỷ lệ là 50%
Hình 2.6 Cầu 3 pha Graetz và sự chuyển mạch của nó
Trang 3534
b Biến tần với điểm trung tính kẹp
Biến tần với điểm trung tính kẹp này có thể được sử dụng cho các mức điện áp cao hơn so với cấu hình cầu Graetz Dạng sóng điện áp pha đầu ra bao gồm 3 mức , 0,
Hình 2.8 Cấu hình nghịch lưu chữ H và sự chuyển mạch của nó
Trang 3635
2.3.3 Bộ lọc sóng hài
Bộ lọc thụ động thông thấp được dùng để chuyển đổi dạng xung PWM sang dạng
tín hiệu hình sin Điều này đạt được bằng cách loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao không cần thiết được tạo ra từ việc chuyển đổi điện áp DC sang AC trong VSI
Bộ lọc này có thể được đặt ở phía điện áp cao hoặc ở phía điện áp thấp của máy biến áp bù
Hình 2.9 Vị trí của bộ lọc ở phía tải
Hình 2.10 Vị trí bộ lọc ở phía biến tần
Trang 3736
Khi bộ lọc được đặt ở phía biến tần, các sóng hài bậc cao sẽ bị ngăn chặn việc đi qua máy biến áp Và nó sẽ làm giảm điện áp đặt lên máy biến áp bù Tuy nhiên nó
có thể là dịch pha và có điện áp rời trong đầu ra của bộ chuyển đổi
Điều này có thể được giảm bằng cách đặt bộ lọc ở phía tải Trong trường hợp này
kể từ khi các sóng hài bậc cao thâm nhập vào phía thứ cấp của biến áp, yêu cầu về mức của máy biến áp cao hơn là cần thiết Tuy nhiên sự rò rỉ trên điện kháng của máy biến áp có thể được sử dụng như là một phần của bộ lọc, sẽ rất hữu ích trong việc điều chỉnh bộ lọc
2.3.4 Khóa chuyển mạch dẫn vòng
Do DVR có cấu trúc là thiết bị được nối nối tiếp cho nên khi dòng sự cố xảy ra do lỗi ở trên đường cuối nguồn sẽ chảy qua mạch biến tần Trong khi đó các thành phần điện tử cấu thành trong mạch biến tần thường chỉ làm việc từ dòng định mức cho đến dòng tài Vì vậy, để bảo vệ biến tần từ dòng lớn thì một khóa chuyển mạch dẫn dòng được ghép nối vào mạch biến tần
Nguyên lý cơ bản của khóa chuyển mạch dẫn vòng là nó sẽ đo dòng điện chảy trong mạch phân phối và nếu nó lớn hơn giá trị định mức dòng của bộ nghịch lưu thì nó
sẽ dẫn vòng các thiết bị của bộ DVR như: Nguồn DC, nghịch lưu, bộ lọc…do đó loại trừ dòng lớn chảy về phía biến tần Khi mà dòng cung cấp trong giá trị vận hành bình thường thì khóa chuyển mạch này sẽ không hoạt động
Khóa chuyển mạch dẫn vòng được sử dụng để bảo vệ biến tần từ dòng điện lớn khi
có lỗi, trong trường hợp lỗi xảy ra hoặc là ngắn mạch trên đường cuối nguồn thì bộ DVR sẽ chuyển sang điều kiện mạch dẫn vòng khi đó biến tần VSI sẽ được bảo vệ chống lại quá dòng chảy vào các khóa chuyển mạch bán dẫn công suất
Trang 3837
Dòng điện và điện áp định mức của cuộn sơ cấp máy biến áp bù
Tỷ số máy biến áp nhằm xác định dòng điện và điện áp định mức của cuộn thứ cấp
Trở kháng ngắn mạch
Việc xác định các thông số nêu trên phụ thuộc vào các thông số hệ thống như sau:
Công suất định mức của tải nhạy cảm cần được bảo vệ
Điện áp rơi tối đa cho phép khi qua máy biến áp
Đặc tính của điện áp lõm cần phải bù
Thiết kế bộ lọc sóng hài
Sự lựa chọn các thiết bị chuyển mạch
Dung lượng của thiết bị dự trữ điện năng và chiến thuật điều khiển bù điện
áp được áp dụng cho bộ DVR
Một tham số ảnh hưởng đến đặc tính của bộ DVR là việc bù tối đa điện áp lõm 1 pha hoặc 3 pha bởi bộ bù áp nhanh Với việc dung lượng của bộ lưu trữ năng lượng
là bị hạn chế trong hệ thống DVR thì giá trị biên độ điện áp lõm của 1 pha là giá trị
để xác định được dùng để xác định giá trị điện áp định mức ở bên phía sơ cấp của máy biến áp bù Tùy thuộc vào chiến thuật điều khiển bù, mà giá trị điện áp sơ cấp định mức thay đổi khá nhiều Máy biến áp bù được kết nối nối tiếp với tải nhạy cảm
mà được bảo vệ bởi DVR, vì thế mà dòng định mức của máy biến áp bù được quyết định bởi công suất định mức của tải nhạy cảm Với việc xác định điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp của DVR, công suất định mức của nó cũng được xác định là một phần của tổng công suất của tải nhạy cảm được bảo vệ
Dải hoạt động của biến áp bù là một thông số quan trọng vì nó quyết định đến sự hoạt động của bộ DVR, do nó giới hạn khả năng bù cao nhất của DVR Thêm nữa, luôn có điện áp rơi xuyên qua máy biến áp do sự rò rỉ về điện cảm Do đó, để giảm hiện tượng bão hòa của máy biến áp bù trong điều kiện vận hành bình thường thì máy biến áp sẽ được thiết kế giải quyết vấn đề từ thông, từ thông này sẽ lớn hơn giá trị từ thông lớn nhất yêu cầu
Trang 3938
Bộ lọc của DVR có thể được gắn ở phía cao áp hoặc thấp áp của máy biến áp bù hay còn gọi là bộ lọc phía đường dây và bộ lọc phía nghịch lưu tương ứng Khi bộ lọc ở phía biến tần thì các sóng hài bậc cao sinh ra bởi biến tần nguồn áp VSI sẽ được dẫn vòng bởi bộ lọc, không qua trực tiếp máy biến áp và điều này không ảnh hưởng lắm tới giá trị định mức của máy biến áp bù Còn nếu bộ lọc ở phía đường dây thì sóng hài bậc cao sẽ xuyên qua máy biến áp bù và nó có thêm điện áp sóng hài làm gia tăng thêm giá trị định mức của máy biến áp [6]
Việc lựa chọn giá trị điện áp và dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp và tỉ số biến đổi máy biến áp có liên quan đến nhau Để xác định tỷ số biến đổi máy biến áp đầu tiên bắt đầu với tỷ số biến đổi được đưa ra với việc giá trị của cuộn sơ cấp xem như đã có và giá trị điện áp, dòng điện của cuộn sơ cấp được xác định Khả năng mang dòng và điện áp khóa của thiết bị chuyển mạch sau đó có thể được xác định Nếu như định mức của các thiết bị chuyển mạch đã được tính toán là phù hợp với các thiết bị có sẵn trên thị trường thì ngừng việc tính toán tỷ số biến đổi tại đây Trở kháng ngắn mạch sẽ ảnh hưởng đến dòng sự cố xuyên qua máy biến áp bù khi
mà ngắn mạch xảy ra ở phía tải Trở kháng cũng ảnh hưởng đến việc tính toán, thiết
kế các bộ lọc Tuy nhiên, nếu hệ thống điện thường hoạt động trong điều kiện bình thường, các mối quan tâm chính khi xem xét các đặc điểm kỹ thuật của trở kháng ngắn mạch của máy biến áp là điện áp rơi qua nó trong điều kiện vận hành bình thường của hệ thống
Máy biến áp bù 3 pha ứng dụng trong bộ DVR có thể được kết nối sao/ sao cho từng pha hoặc kết nối sao/ tam giác và kết nối sao/sao Trong đó phần cao áp của máy biến áp bù thường kết nối nối tiếp với đường phân phối, còn phần hạ áp thì kết nối với mạch lực của DVR
Với DVR 3 pha, 3 pha riêng rẽ hoặc máy biến áp bù 3 pha có thể kết nối với đường phân phối, còn DVR 1 pha thì được kết nối với máy biến áp bù 1 pha
Trang 4039
Hình 2.11 Cách đấu cuộn sơ cấp máy biến áp bù theo cấu hình tam giác
Hình 2.12 Cách đấu cuộn sơ cấp máy biến áp bù theo cấu hình sao
Cấu hình về cách đấu dây của biến áp bù chủ yếu là phụ thuộc vào phía đầu nguồn phân phối của máy biến áp Nếu như máy biến áp phân phối đấu theo kiểu Δ-Y với