Trong khi công suất tác dụng được truyền đi được giữ không đổi, bộ điều khiển điện áp xoay chiều có thể điều khiển điện áp trong mạng xoay chiều.. Có thể sử dụng việc phát và tiêu thụ cô
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG VSC - HVDC
Khái niệm
- Công nghệ HVDC là công nghệ điện tử công suất cao được sử dụng trong các hệ thống điện Đây là một phương pháp hiệu quả và linh hoạt để truyền tải lượng điện năng lớn qua khoảng cách xa bằng đường dây truyền tải trên không hoặc cáp ngầm/dưới biển Nó cũng có thể được sử dụng để kết nối các hệ thống điện không đồng bộ
- HVDC thương mại đầu tiên kết nối hai hệ thống AC là một tuyến cáp ngầm nối đất liền Thụy Điển và đảo Gotland Đường dây này có công suất định mức 20MW, 100kV và được đưa vào vận hành năm 1953 Ngày nay, HVDC đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Cho đến gần đây, HVDC dựa trên thyristor đã được sử dụng để chuyển đổi từ AC sang DC và ngược lại
Hình 1 Bên trong trạm HVDC ở Gotland
- Gần đây đã xuất hiện một loại HVDC mới Nó sử dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến hơn thay vì thyristor để chuyển đổi nguồn giữa AC và DC Chất bán dẫn được sử dụng là bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) và bộ chuyển đổi là bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) hoạt động ở tần số chuyển mạch cao (1-2kHz) sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM)
Ưu nhược điểm của hệ thống VSC - HVDC hiện nay
- Kiểm soát độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng mà không cần thêm thiết bị bù Với việc sử dụng xung điện, VSC-HVDC có thể điều khiển độc lập cả công suất
6 tác dụng và công suất phản kháng Trong khi công suất tác dụng được truyền đi được giữ không đổi, bộ điều khiển điện áp xoay chiều có thể điều khiển điện áp trong mạng xoay chiều Có thể sử dụng việc phát và tiêu thụ công suất phản kháng của bộ chuyển đổi VSC-HVDC để điều khiển điện áp để bù đắp nhu cầu của mạng được kết nối trong phạm vi định mức của bộ chuyển đổi
- Giảm thiểu nhiễu loạn chất lượng điện năng Khả năng công suất phản kháng của VSC- HVDC có thể được sử dụng để điều khiển điện áp mạng xoay chiều và từ đó góp phần nâng cao chất lượng điện năng Hơn nữa, phản hồi nhanh hơn nhờ tần số chuyển mạch (PWM) tăng lên, mang lại mức hiệu suất mới liên quan đến kiểm soát chất lượng điện năng như nhấp nháy và sóng hài Vấn đề về chất lượng điện là vấn đề được ưu tiên hàng đầu của các chủ sở hữu nhà máy công nghiệp, đơn vị vận hành lưới điện và người dân
- Giảm thiểu rủi ro khi chuyển mạch Sự nhiễu loạn trong hệ thống AC có thể dẫn đến lỗi chuyển mạch trong hệ thống HVDC cổ điển Vì VSC-HVDC sử dụng các thiết bị bán dẫn tự chuyển mạch nên không cần thiết phải cung cấp điện áp xoay chiều đủ cao nữa Điều này làm giảm đáng kể nguy cơ lỗi chuyển mạch và mở rộng ứng dụng của VSC-HVDC để kiểm soát độ ổn định
- Hoạt động độc lập Vì hệ thống điều khiển ở phía bộ chỉnh lưu và bộ biến tần hoạt động độc lập nên chúng không phụ thuộc vào kết nối viễn thông, từ đó cải thiện tốc độ và độ tin cậy của bộ điều khiển
- Đảo cấp liệu và mạng AC thụ động Bộ chuyển đổi VSC có thể tạo ra điện áp xoay chiều riêng ở bất kỳ tần số định trước nào mà không cần sự hiện diện của máy quay Vì vậy, nó có thể được sử dụng để cung cấp cho các công trình công nghiệp hoặc để kết nối các trang trại gió lớn
- Lưới DC đa điểm Bộ chuyển đổi VSC phù hợp để tạo lưới DC với một số bộ chuyển đổi vì cần ít sự phối hợp giữa các bộ chuyển đổi VSC-HVDC Một ứng dụng tiềm năng của lưới điện một chiều đa điểm là cung cấp điện cho các trung tâm thành phố b, Nhược điểm
- Chi phí đầu tư cao: Hệ thống VSC-HVDC sử dụng các thiết bị điện tử tiên tiến có chi phí cao hơn so với các hệ thống HVDC truyền thống
+ Hệ thống VSC-HVDC có cấu trúc và hệ thống điều khiển phức tạp hơn so với các hệ thống HVDC truyền thống
+ Điều này đòi hỏi yêu cầu cao về trình độ kỹ thuật vận hành và bảo trì
- Tổn thất điện năng: Mặc dù hiệu quả truyền tải cao, nhưng hệ thống VSC-HVDC vẫn có một số tổn thất điện năng nhất định do quá trình biến đổi điện năng từ AC sang DC và ngược lại
- Rủi ro sự cố: Hệ thống VSC-HVDC sử dụng các thiết bị điện tử phức tạp, do đó có nguy cơ xảy ra sự cố cao hơn so với các hệ thống HVDC truyền thống.
So sánh hệ thống HVDC cổ điển và VSC-HVDC
Tiêu chí HVDC cổ điển VSC-HVDC
Sử dụng van thyristor để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) và ngược lại
Sử dụng các bộ biến đổi điện áp nguồn (VSC) dựa trên van bán dẫn như IGBT hoặc MOSFET để thực hiện việc chuyển đổi AC-DC và DC-AC
Dựa trên nguyên lý điều khiển góc kích van thyristor để điều chỉnh điện áp và dòng điện DC
Sử dụng phương pháp điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển điện áp và dòng điện DC một cách linh hoạt và chính xác hơn Công nghệ chuyển đổi Van thyristor, chuyển mạch lưới Van bán dẫn (IGBT), tự chuyển mạch Yêu cầu về công suất phản kháng
Nhu cầu công suất phản kháng 50% công suất truyền tải Không
Bù và điều khiển công suất phản kháng Điều khiển không liên tục Điều khiển liên tục Điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng
Bảng 1: So sánh hệ thống HVDC cổ điển và VSC-HVDC
Hoạt động của VSC-HVDC
- Hoạt động của VSC-HVDC có thể được giải thích bằng cách coi mỗi thiết bị đầu cuối là nguồn điện áp được kết nối với mạng truyền tải xoay chiều thông qua các cuộn kháng nối tiếp
- Hệ thống AC và nguồn điện áp điều khiển được kết nối thông qua cuộn kháng pha Bộ chuyển đổi được mô hình hóa dưới dạng nguồn điện áp điều khiển uv ở phía AC và
8 nguồn dòng điện được điều khiển iDC ở phía DC Nguồn dòng có thể được tính toán dựa trên sự cân bằng công suất ở phía AC và DC của bộ chuyển đổi Nguồn điện áp được điều khiển có thể được lấy từ hệ thống điều khiển của bộ chuyển đổi trong đó biên độ, pha và tần số có thể được điều khiển độc lập với nhau Nguồn điện áp được điều khiển có thể được mô tả bằng phương trình sau
2uDC.M.sin(t+)+ thành phần song hài
Trong đó M là chỉ số điều chế được định nghĩa là tỷ số giữa giá trị đỉnh của sóng điều chế và giá trị đỉnh của sóng mang, tức là điện áp DC ω là tần số, δ là độ lệch pha của điện áp đầu ra Các biến M, ω và δ có thể được điều chỉnh bởi bộ điều khiển VSC Kết quả là, độ sụt điện áp (∆V được hiển thị trong Hình) trên lò phản ứng có thể thay đổi để kiểm soát dòng công suất tác dụng và phản kháng
Hình 2 Mạch tương đương (a) và sơ đồ pha (b) của bộ chuyển đổi được kết nối với hệ thống xoay chiều
- Hình 2 cũng cho thấy biểu diễn pha tần số cơ bản tương ứng cho VSC hoạt động như một bộ chỉnh lưu và hấp thụ công suất phản kháng từ hệ thống xoay chiều Trong trường hợp này, điện áp đầu ra VSC có biên độ nhỏ hơn và bị trễ pha so với hệ thống AC Dòng công suất tác dụng giữa hệ thống xoay chiều và bộ chuyển đổi có thể được điều khiển bằng cách thay đổi góc pha (δ) giữa điện áp tần số cơ bản (Uv) do VSC tạo ra và điện áp xoay chiều (Uf) ở phía thứ cấp của máy biến áp
- Công suất tác dụng được tính theo công thức (1) theo bỏ qua tổn thất của lò phản ứng pha
- Công suất phản kháng được xác định bằng biên độ tia UV và được tính theo công thức
- Trong kết nối VSC-HVDC, công suất tác dụng ở phía AC bằng với công suất tác dụng được truyền từ phía DC ở trạng thái ổn định (bỏ qua tổn thất) Điều này có thể được thực hiện nếu một trong hai bộ chuyển đổi điều khiển công suất tác dụng được truyền đi trong khi bộ chuyển đổi còn lại điều khiển điện áp DC Việc tạo và tiêu thụ công suất phản kháng có thể được sử dụng để điều khiển điện áp xoay chiều của mạng Hình 3 minh họa khả năng công suất tác dụng/phản kháng của hệ thống VSC-HVDC trong sơ đồ P-Q cho hai điện áp khác nhau uv1 và uv2, trong đó uv1 > uv2 Một số thuộc tính quan trọng của liên kết VSC-HVDC có thể được nhìn thấy từ hình này Chẳng hạn, VSC-HVDC có thể hoạt động tại bất kỳ điểm nào trong vòng tròn Tuy nhiên, do bán kính của VSC-HVDC đại diện cho định mức MVA của bộ chuyển đổi tương đương với việc tạo ra dòng điện tối đa và điện áp xoay chiều thực tế nên công suất MVA sẽ giảm tỷ lệ thuận với độ sụt điện áp
Hình 3 Sơ đồ p-q cho VSC-HVDC
- Hình 3 minh họa dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng cho lưới điện và hệ thống truyền tải VSC trong sơ đồ vòng tròn công suất Từ Hình 3, có thể thấy rằng điểm giao nhau giữa đường cong công suất của truyền tải VSC và vòng tròn lưới cho thấy hoạt động ổn định ở mức điện áp cụ thể đó Hơn nữa, Hình 3 cũng cho thấy sự thay đổi của dòng công suất tác dụng và phản kháng được truyền tải trong quá trình sụt áp Có thể thấy rằng công suất tác dụng truyền ổn định sẽ giảm (tức là PAC2 < PAC1) khi điện áp lưới giảm
10 Hình 3 Mặt tròn cho đường truyền VSC nối tiếp với mạng AC khi hoạt động bình thường
(a) và khi có sự cố (b)
PHÂN TÍCH VÀ HỆ THỐNG VSC-HVDC
Tổng quan hệ thống
- Hệ thống VSC-HVDC phổ biến
Hình 4 Hệ thống VSC-HVDC
Hình 5 Mô phỏng VSC – HVDC trên Matlab
Phân tích từng bộ phận của hệ thống
a, VSC(Bộ chuyển đổi nguồn điện áp)
- Hai VSC có thể được coi là cốt lõi của cấu trúc liên kết hệ thống truyền tải này Một trong các VSC hoạt động như bộ chỉnh lưu, trong khi VSC còn lại hoạt động như một bộ biến tần và cả hai đều dựa trên chất bán dẫn công suất IGBT Hai trạm VSC được kết nối thông qua đường truyền DC hoặc đường dây trên không Trong công việc này, hai bộ chuyển đổi ba pha, hai cấp giống hệt nhau đã được xem xét
12 Hình 6 Sơ đồ mạch của VSC ba pha
- Nếu giả sử hệ thống ba pha cân bằng có kết nối trung tính và bỏ qua điện trở r của các công tắc, thì bộ chuyển đổi nguồn điện áp có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng công thức (3) - (5):
Trong đó R+jωL là trở kháng của cuộn kháng pha, dd và dq là chu kỳ làm việc, ed, eq, id, iq lần lượt là các thành phần dq của điện áp lưới và dòng điện qua cuộn kháng pha, VDC đại diện cho liên kết DC điện áp và ω là tần số lưới
Hình 7 Mô phỏng VSC bằng Matlab
- Bộ điều khiển biến tần
Hình 8 Trạm biến tần của VSC-HVDC
+ Từ mạch điện ở hình 8, có thể tính được điện áp trên máy biến áp, dòng điện qua bộ lọc
AC và điện áp trên cuộn kháng pha trong hệ thống ba pha:
+ Theo (6), (7) và (8) suy ra các phương trình vi phân sau:
Bằng cách sử dụng phép biến đổi từ abc sang αβ, 𝑥 (αβ) = √ 2
3 [𝑥 (α) + 𝑥 (b) 𝑒 𝑗 2𝜋 3 + 𝑥 (c) 𝑒 𝑗 4𝜋 3 ] + (9), (10) và (11) có thể chuyển đổi sang hệ tọa độ αβ như sau:
14 + Bằng cách sử dụng góc biến đổi θ rút ra từ vòng khóa pha (PLL), (12), (13) và (14) được truyền tiếp vào hệ tọa độ dq quay như sau:
+ Điện áp của bộ lọc xoay chiều, dòng điện qua cuộn kháng pha Rv + jωLv và điện áp phía VSC có thể được biểu thị:
+ Điện áp và dòng điện trung bình trong khoảng thời gian lấy mẫu từ k đến k + 1 được tính bằng cách lấy tích phân (18), (19) và (20) từ kTs đến (k + 1) Ts và chia cho Ts (trong đó Ts là thời gian lấy mẫu)
- Trong một chu kỳ mẫu Ts, có thể giả định rằng:
+ Từ (21), dòng điện itr (dq)(k,k+1) được thay đổi tuyến tính, điện áp uPCC(k,k+1) thay đổi chậm so với động thái của itr (dq)(k,k+1) và có thể coi là hằng số
+ Từ (22), điện áp uf (dq)(k,k+1) được thay đổi tuyến tính, dòng điện itr (dq)(k,k+1) thay đổi chậm so với động thái của uf (dq)(k,k+1) và có thể coi là hằng số
15 + Từ (23), dòng điện iv (dq)(k,k+1) được thay đổi tuyến tính, điện áp uf(k,k+1) thay đổi chậm so với động thái của iv (dq)(k,k+1) và có thể coi là hằng số
+ Bộ điều khiển sử dụng mức tăng nhịp chết của bộ điều chỉnh tỷ lệ, do đó dòng điện qua máy biến áp, điện áp của bộ lọc AC và dòng điện qua cuộn kháng pha sẽ theo dõi các giá trị tham chiếu với một độ trễ mẫu Tức là: itr (dq)(k,k+1)= itr (dq)*(k), uf (dq)(k,k+1)= uf (dq)*(k), iv (dq)(k,k+1)= iv (dq)*(k)
- Theo các giả định trên có thể suy ra rằng:
- Giả định rằng dòng điện và điện áp trung bình được tạo ra giữa mẫu k và k+1 trở thành dòng điện và điện áp tham chiếu tại mẫu k Cuối cùng, các phương trình điều khiển tỷ lệ sau đây có thể được suy ra dưới dạng:
- Để ổn định bộ điều khiển, hệ số của phần P được thay đổi so với độ lợi nhịp chết bằng các hằng số kpf1, kpf2 và kpf3 Phân tích độ ổn định của hệ thống có thể đưa ra các giá trị phù hợp cho hệ số khuếch đại của bộ điều khiển P Được biết, ranh giới ổn định cho một hệ thống thời gian rời rạc được xác định là vòng tròn đơn vị Do đó, nếu các cực của hệ nằm trong vòng tròn đơn vị thì hệ rời rạc ổn định b, Bộ lọc AC
- Mục tiêu chính của bộ lọc AC là loại bỏ thành phần hài - được tạo ra bằng cách sử dụng kỹ thuật xung điện xung - của điện áp xoay chiều đầu ra Ngược lại, nếu các thành phần hài này không được loại bỏ hoặc giảm thiểu thì lưới điện xoay chiều sẽ xuất hiện trục trặc Tùy thuộc vào hiệu suất hoặc yêu cầu của bộ lọc mong muốn, cấu hình bộ lọc sẽ khác nhau tùy theo từng ứng dụng
Hình 9 Sơ đồ mạch của bộ lọc AC
- Nếu bỏ qua điện trở rf của tụ điện thì bộ lọc có thể được mô hình hóa trong khung tham chiếu đồng bộ dq theo (33) - (36):
17 Trong đó Cf là điện dung của bộ lọc và icd, icq, iPCCd, iPCCq lần lượt là các thành phần dq của dòng tụ và của dòng PCC
’ Hình 10 Mô phỏng bộ lọc AC bằng Matlab c, Máy biến áp
- Các máy biến áp được sử dụng để kết nối VSC với mạng AC Chức năng chính của máy biến áp là điều chỉnh mức điện áp của mạng AC đến mức điện áp phù hợp với bộ chuyển đổi Để đơn giản, máy biến áp 1:1 đã được xem xét trong các mô phỏng, được mô hình hóa bằng độ tự cảm rò rỉ của nó
Hình 11 Mô phỏng máy biến áp bằng Matlab
18 d, Tụ điện liên kết DC
- Có hai tụ điện có cùng mức công suất Mục tiêu chính của tụ điện liên kết DC là cung cấp đường dẫn có độ tự cảm thấp cho dòng điện tắt Hơn nữa, tụ điện DC đóng vai trò như một kho lưu trữ năng lượng và nó làm giảm gợn 18ong hài trên điện áp DC e, Lưới điện xoay chiều
- Thông thường, mô hình lưới có thể được phát triển bằng cách sử dụng mạch tương đương Thevenin Tuy nhiên, để đơn giản, lưới điện được mô hình hóa như một nguồn điện áp ba pha đối xứng lý tưởng.
Hệ thống điều khiển VSC – HVDC
Hình 12 Cấu trúc điều khiển tổng thể hệ thống truyền tải VSC-HVDC a, Bộ điều khiển dòng điện bên trong
- Bộ điều khiển dòng điện bên trong được lấy trực tiếp từ (29) Một phần tích hợp được bao gồm để tránh lỗi trạng thái ổn định Phương trình điều khiển thu được có dạng như sau: và số hạng tích phân có thể được viết là:
- Các giá trị tham chiếu của dòng điện qua cuộn cảm pha trong mặt phẳng dq, tức là iv*(dq) , được đưa ra từ bộ điều khiển bên ngoài Kp,iv được lấy từ (32) Trong (32) kpf3
19 được chọn để đưa ra bộ điều khiển ổn định theo phân tích độ ổn định Cần đề cập rằng độ trễ một mẫu được triển khai trong bộ điều khiển do thời gian tính toán
- Hình 13 và 14 hiển thị đáp ứng tần số từ tham chiếu hiện tại iv(q)∗ đến Iv(q) hiện tại thực tế đối với kpf3 khác nhau có và không có độ trễ một mẫu Như được hiển thị trong Hình 3.5, việc sử dụng kpf3 cao có thể dẫn đến hiệu suất kém hoặc hệ thống không ổn định Do đó, giá trị thấp của kpf3 có thể được sử dụng mà không cần bù độ trễ một mẫu trong bộ điều khiển dòng điện chậm Tuy nhiên, nên chọn kpf3 cao trong bộ điều khiển dòng điện nhanh và độ trễ một mẫu phải được bù Bộ dự đoán Smith có thể được sử dụng để bù cho độ trễ thời gian Dòng điện dự đoán dẫn xuất ˆiv (dq) được cho là: trong đó kps là mức tỷ lệ của bộ dự đoán Smith
- Phương trình điều khiển của bộ điều khiển dòng điện bên trong (37) được sửa đổi như sau: với và số hạng tích phân có thể được viết lại thành:
20 Hình 13: Đáp ứng tần số từ tham chiếu hiện tại i v (q)* đến dòng điện thực tế i v (q) mà không có độ trễ mẫu
Hình 14: Đáp ứng tần số từ tham chiếu hiện tại iv (q)* đến dòng thực tế iv (q) với độ trễ một mẫu
- Bộ điều khiển dòng điện bên trong được triển khai trong khung tham chiếu đồng bộ dq Thông thường, các cấu trúc điều khiển dq được liên kết với bộ điều khiển PI do khả năng hoạt động tốt của chúng khi điều chỉnh các biến DC Tuy nhiên, theo ông bộ điều khiển dòng PI không có hiệu suất theo dõi thỏa đáng khi chúng phải điều chỉnh các hệ thống ghép nối Do đó, để cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển dòng PI trong các hệ thống như vậy, người ta thường sử dụng các thuật ngữ tách rời và cấp điện áp chuyển tiếp
21 Hình 15: Cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện bên trong được thực hiện trong khung tham chiếu đồng bộ
Hình 16: Biến đổi Clark mô phỏng trên Matlab
22 Hình 17: Biến đổi d-q trên Matlab
Hình 18: Bộ điều khiển dòng điện bên trong bằng Matlab b, Bộ điều khiển vecto kép
- Nó bao gồm một bộ điều khiển bên ngoài điện áp bus lọc cho điện áp uf và một vòng điều khiển dòng điện bên trong cho dòng điện iv
- Các phương trình điều khiển thu được của bộ điều khiển vector kép có thể được viết dưới dạng:
23 trong đó các số hạng tích phân là: với k I,Uf= k P,Uf 𝑇𝑠
𝑇𝑖,𝑢𝑓và Ti,Uflà hằng số thời gian tích phân Một lần nữa kp,uf và kp,iv được tính từ (31) và (32) Các giá trị tham chiếu của điện áp bus bộ lọc trong mặt phẳng dq, tức là uf (dq), có thể được đặt thành uf (d)= 0,0 pu và uf (q)* = 1,0 pu trong hệ thống định hướng từ thông để điều khiển điện áp bus bộ lọc đến giá trị định mức Trong (43) và (44), hệ số kpf2 và kpf3 được chọn để điều chỉnh hệ số tỷ lệ của bộ điều khiển
Hình 19: Các cực và 0 của hệ vòng kín thời gian rời rạc với kpf2 tăng từ 0 lên 1 và kpf3 = 0,5 (× : kpf2 = 0,1, + : kpf2 = 0,5 và ∗ : kpf2 = 1,0)
- Từ nghiên cứu có thể kết luận rằng các cực bị hút vào vòng tròn đơn vị nhanh hơn khi giảm kpf3 Khi kpf2 được đặt là mức tăng nhịp chết (kpf2 = 1), hệ thống có thể ổn định khi kpf3 được đặt bằng 0,3 hoặc nhỏ hơn Tuy nhiên, giá trị kpf3 cao sẽ dẫn đến hành vi không ổn định ngay cả khi kpf2 được chọn ở mức thấp Như trong Hình 19, kpf3 nên được chọn nhỏ hơn 0,5 để giữ cho hệ thống ổn định khi kpf2 được đặt ở mức thấp hơn
24 c, Bộ điều khiển vecto với bộ lọc LCL
- Mục đích của bộ điều khiển vectơ với bộ lọc LCL là tạo ra giá trị điện áp được điều khiển uv∗ sao cho điện áp và tần số xoay chiều tại PCC giữ nguyên giá trị tham chiếu của chúng khi itr (dq)* được lấy từ bộ điều khiển điện áp và tần số PCC
- Bộ điều khiển vectơ với bộ lọc LCL bao gồm một vòng điều khiển dòng PCC cho dòng điện qua máy biến áp, tức là (27), bộ điều khiển điện áp bus bộ lọc cho điện áp của tụ lọc, tức là (28) và một vòng điều khiển dòng điện bên trong cho dòng điện thông qua lò phản ứng pha, tức là (29) Cùng với nhau, bộ điều khiển vector với bộ lọc LCL bao gồm hai bộ điều khiển P và một bộ điều khiển PI với các điều kiện cấp tiếp và hồi tiếp bổ sung
- Bộ điều khiển vector dẫn xuất với bộ lọc LCL được xây dựng như sau:
Hình 20: Sơ đồ bộ điều khiển vector với bộ lọc LCL
Bộ điều khiển bên ngoài
a, Bộ điều khiển điện áp DC:
- Mục tiêu của bộ điều khiển điện áp DC là điều chỉnh điện áp liên kết DC về giá trị tham chiếu của nó Bộ điều khiển điện áp DC chỉ được sử dụng ở phía VSC2 của truyền tải HVDC và nó cung cấp ở đầu ra giá trị tham chiếu của dòng điện phản kháng Một trong những yêu cầu phải đáp ứng khi điều chỉnh bộ điều khiển bên ngoài là để đảm bảo tính ổn định, bộ điều khiển bên ngoài (trong trường hợp này là bộ điều khiển điện áp DC) phải chậm hơn bộ điều khiển bên trong
Hình 21:Mạch tương đương (a) và sơ đồ pha (b) của bộ chuyển đổi được kết nối với hệ thống xoay chiều
- Công suất tác dụng tức thời Pf(dq) và công suất phản kháng Qf (dq) cùng với công suất
Prec truyền về phía DC của VSC được biểu thị bằng:
- Đối với hoạt động ở trạng thái ổn định cân bằng, điện áp dq không đổi ở giá trị danh định Do đó, điện áp uf(d) sẽ bằng 0 và uf(q) sẽ là điện áp danh định trong hệ thống định hướng từ thông Để đảm bảo sự ổn định, bộ điều khiển bên ngoài phải chậm hơn nhiều so với bộ điều khiển vector Ở thang thời gian quan tâm đối với bộ điều khiển điện áp DC, dòng điện có thể được giả định bằng giá trị tham chiếu của chúng Theo những giả định này, các biểu thức cho công suất tác dụng và phản kháng trở thành:
- Bỏ qua tổn thất trong bộ chuyển đổi và cuộn kháng pha và cân bằng công suất truyền ở phía AC và DC của bộ chuyển đổi thu được từ (52) và (53):
- Bất kỳ sự mất cân bằng nào giữa nguồn AC và DC đều dẫn đến sự thay đổi điện áp trên các tụ liên kết DC, được đưa ra bởi:
- Bằng cách áp dụng phương pháp Euler thuận và giả sử rằng iDC và iload không đổi trong khoảng thời gian và điện áp DC theo dõi tham chiếu, ta thu được phương trình sau:
Từ (58), phương trình điều khiển cho tham chiếu hiện tại iv (q)*(k) thu được như sau:
Hình 22: Bộ điều khiển điện áp DC được mô phỏng bằng Matlab
27 b, Bộ điều khiển nguồn hoạt động: Để đơn giản, bộ điều khiển công suất tác dụng có thể được mô hình hóa như bộ điều khiển P (tỷ lệ) đơn giản:
Bắt đầu từ các phương trình này và tách dòng điện tác dụng và dòng phản kháng, thu được tham chiếu của dòng điện tác dụng:
Hình 23: Mô phỏng Bộ điều khiển nguồn hoạt động trên Matlab c, Bộ điều khiển công suất phản kháng:
- Bộ điều khiển công suất phản kháng được triển khai tương tự như bộ điều khiển công suất tác dụng đã được trình bày trước đây
- Một phương pháp khác là kết hợp vòng phản hồi với một vòng lặp mở
28 Hình 24: Mô phỏng bộ điều khiển công suất phản kháng trên Matlab d, Bộ điều khiển điện áp AC:
- Việc điều khiển điện áp xoay chiều được thực hiện bằng cách điều khiển sụt áp trên tụ
Cf của bộ lọc Giống như trong trường hợp vòng điều khiển dòng điện bên trong, điều khiển điện áp xoay chiều được phát triển trong hệ quy chiếu đồng bộ dq
- Sụt áp ∆V trên điện kháng Rv + jωLv có thể xấp xỉ như sau: điện áp có thể được điều chỉnh bằng cách điều khiển thành phần d của dòng điện
Hình 25: Cấu trúc bộ điều khiển điện áp xoay chiều thực hiện trong hệ quy chiếu đồng bộ
29 e, Bộ điều khiển giới hạn dòng điện
Hình 26: Bộ điều khiển giới hạn dòng điện
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ NHẬN XÉT
Bảng 2: Chọn thông số cho hệ thống
- Sách lược 1: Điều khiển điện áp xoay chiều
• Bộ chuyển đổi 1 điều khiển điện áp DC và AC
• Bộ chuyển đổi 2 điều khiển công suất tác dụng và điện áp xoay chiều
- Sách lược 2: Điều khiển công suất phản kháng
• Bộ chuyển đổi 1 điều khiển điện áp DC và công suất phản kháng
• Bộ chuyển đổi 2 điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
31 a, Sách lược 1: Điều khiển điện áp xoay chiều
Hình 27: Công suất tác dụng sử dụng chiến lược điều khiển điện áp xoay chiều cho hệ thống VSC-HVDC hoàn chỉnh (đường liền nét) và đơn giản hóa (đường nét đứt): điện áp trong mặt phẳng dq tại bus bộ lọc 1 (trên) và tại bus bộ lọc 2 (dưới)
Hình 28: Công suất tác dụng sử dụng chiến lược điều khiển điện áp xoay chiều cho hệ thống VSC-HVDC hoàn chỉnh (đường liền nét) và đơn giản hóa (đường nét đứt): dòng điện trong mặt phẳng dq tại bộ chuyển đổi 1 (trên) và tại bộ chuyển đổi 2 (dưới)
32 Hình 29: Công suất tác dụng sử dụng chiến lược điều khiển điện áp xoay chiều cho hệ thống VSC-HVDC hoàn chỉnh (đường liền nét) và đơn giản hóa (đường nét đứt): Điện áp một chiều
(trên cùng) và công suất tác dụng (dưới)
+ Các bước thay đổi công suất tác dụng được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị tham chiếu dòng điện tác dụng Phản ứng của hệ thống được thể hiện trong hình 27, 28 và 29 Đầu tiên, giá trị tham chiếu dòng hoạt động của bộ chuyển đổi 2 được thay đổi từ +0,0 pu thành −0,5 pu tại t = 0,02 s và sau đó đặt thành 0,9 pu tại t = 0,12 s Như có thể thấy trong hình 28, dòng điện tác dụng có thể theo dõi dòng điện tham chiếu Điện áp DC được thay đổi khi áp dụng bước này và sau đó trở về giá trị tham chiếu do bộ điều khiển điện áp DC (Hình 29) Điện áp tại bộ lọc bus 1 và 2 (xem Hình 27), trong hệ tọa độ dq, có thể được giữ không đổi ngoại trừ một số quá độ xảy ra khi áp dụng cả hai bước thay đổi Có thể nhận thấy rằng ở bước thứ hai, tổng dòng điện đạt đến giới hạn hiện tại vào khoảng 0,13s (Hình 28) và do đó điện áp DC giảm sâu (Hình 29) Sự thay đổi bước công suất tác dụng ảnh hưởng đến hướng của công suất truyền đi Khi áp dụng thay đổi bước thứ hai, dòng công suất hoạt động được điều chỉnh sang cài đặt mới trong vòng 30 ms (Hình 29)
33 + Trong hình 27, 28 và 29 cũng tiến hành so sánh giữa mô hình hoàn chỉnh và mô hình đơn giản Như có thể thấy, các gợn sóng tần số cao chỉ được hiển thị trong mô hình hoàn chỉnh Nguyên nhân là do các van chuyển mạch sử dụng công nghệPWM được mô phỏng theo mô hình hoàn chỉnh Người ta cũng nhận thấy rằng sự khác biệt rõ ràng nhất được thể hiện ở điện áp DC khi đạt đến giới hạn dòng điện Tuy nhiên, sai số tuyệt đối tối đa của điện áp DC chỉ là 0,0096 pu (1%) Do đó, có thể thấy rõ rằng không có sự khác biệt đáng kể về hiệu suất của mô hình hoàn chỉnh và mô hình đơn giản hóa b, Sách lược 2: Điều khiển công suất phản kháng
- Những thay đổi về công suất tác dụng và phản kháng được thực hiện bằng cách điều chỉnh các giá trị tham chiếu của dòng điện tác dụng và phản kháng của bộ biến đổi Kết quả mô phỏng được hiển thị cho ba thay đổi trong cài đặt nguồn điện, như được minh họa trong Hình 4.5, 4.6, 4.7 và 4.8:
- Tại thời điểm t = 0,02 s, giá trị dòng điện phản kháng của bộ chuyển đổi 2 được thay đổi từ +0,3 pu thành −0,3 pu
- Tại thời điểm t = 0,07 s, giá trị dòng điện tác dụng của bộ chuyển đổi 2 được thay đổi từ
- Tại thời điểm t = 0,12 s, giá trị dòng điện phản kháng của bộ chuyển đổi 1 được thay đổi từ −0,5 pu thành +0,5 pu
Hình 30: Công suất tác dụng và công suất phản kháng sử dụng chiến lược điều khiển công suất phản kháng cho hệ thống VSC-HVDC hoàn chỉnh (đường liền nét) và đơn giản hóa (đường đứt nét): điện áp trong mặt phẳng dq tại bus bộ lọc 1 (trên) và tại bộ lọc- xe buýt 2 (dưới)
34 Hình 31: Công suất trong công suất tác dụng và công suất phản kháng sử dụng chiến lược điều khiển công suất phản kháng cho hệ thống VSC-HVDC hoàn chỉnh (đường liền nét) và đơn giản hóa (đường nét đứt): dòng điện trong mặt phẳng dq tại bộ chuyển đổi 1 (trên) và tại bộ chuyển đổi 2 (dưới)
Hình 32: Công suất tác dụng và phản kháng sử dụng chiến lược điều khiển công suất phản kháng cho hệ thống VSC-HVDC hoàn chỉnh (đường liền nét) và đơn giản hóa (đường nét chấm): công suất tác dụng và công suất phản kháng tại bus bộ lọc 1 (trên ) và tại bộ lọc tại bus 2 (dưới)
35 Hình 33: Công suất tác dụng và công suất phản kháng sử dụng chiến lược điều khiển công suất phản kháng: Điện áp một chiều uDC
