Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Nghiên cứu thiết bị DSTATCOM cho lưới phân phối

Tụ điện DC của mỗi bộ cầu H Hình 3.5: Dạng sóng điện áp, dòng điện và điện áp dao động trên tụ Hình 3.6-Cuộn kháng Lf Hình 3.7-Dạng sóng của dòng điện qua cuộn kháng Hình 4.1 –Giải thuật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LƯƠNG CÔNG TRÌNH

CHO LƯỚI PHÂN PHỐI

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ NGÀNH: 605250

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ………

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LƯƠNG CÔNG TRÌNH MSHV: 12180124

Ngày, tháng, năm sinh: 29/03/1985 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện Mã số: 605250

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ DSTATCOM CHO LƯỚI PHÂN PHỐI

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thiết bị Dstatcom cho lưới phân phối

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Văn Nhờ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tp HCM, CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO ngày tháng 06 năm 2015

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Tôi xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ, các anh chị và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện đề tài

Mặc dù tôi đã c ố gắng hoàn thành đề tài trong phạm vi và khả năng cho phép, nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn

Sau cùng, Tôi xin gửi lời chúc sức khỏe, hạnh phúc đến quý Thầy Cô, Gia Đình và Bạn Bè

LƯƠNG CÔNG TRÌNH

ABSTRACT

Enhance the reliability and quality of power is very important problem in the electrical system Especially in electricity distribution networks is becoming increasingly complex There has nonlinear loads are used more and more The Nonlinear loads create the harmonic in the power system This harmonic components caused losses, reduced power factor, affects devices that use electricity

The best way to solve the above problem, we use a Dstatcom device The Dstatcom is a voltage source inverter capable of reactive power compensation and harmonic filtering In this thesis, I have choiced the Dstatcom devices for a study This device is based on a Cascade H-Bridge Multilevel Inverter 5 level In this study, given the calculation of selected key elements of the equipment and building control algorithm based on an instantaneous power theory, PI controllers and PWM technique Simulation result prepared by the help of PSIM software The PSIM results will be presented to verify the performance of the proposed multilevel DSTATCOM

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng là vấn đề hết sức quan trọng trong hệ thống điện Đặc biệt là trong lưới điện phân phối ngày càng trở nên phức tạp Phụ tải có tính chất phi tuyến được sử dụng ngày càng nhiều Các phụ tải phi tuyến làm xuất hiện các thành phần sóng điều hoà bậc cao Các thành phần sóng hài này gây ra tổn hao, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng đến thiết bị sử dụng điện

Cách tốt nhất để giải quyết các vấn đề nêu trên là sử dụng thiết bị Dstatcom Dstatcom là một bộ nghịch lưu nguồn áp có khả năng bù công suất phản kháng và lọc sóng hài Vì vậy trong luận văn này lựa chọn nghiên cứu thiết bị Dstatcom cho lưới phân phối Thiết bị này được xây dựng dựa trên bộ nghịch lưu nối tần 5 bậc Trong nghiên cứu này, đưa ra cách tính chọn các phần tử chính của thiết bị và xây dựng giải thuật điều khiển.Giải thuật điều khiển dựa vào lý thuyết dòng chảy công suất tức thời, bộ điều khiển PI và kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM Thực hiện mô phỏng nhờ vào phần mềm PSIM Cuối cùng đánh giá kết quả mô phỏng để kiểm tra đáp ứng của thiết bị Dstatcom

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên c ứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác

Ngày tháng 06 năm 2015 Học viên thực hiện

PWM Pules Width Modulation THD Total Harmonic Distortion TDD Total Demand Distortion VSI Voltage Source Inverter CSI Current source inverter PI Proportional Integral

PWM Pulse-width modulation UBS Uninterruptible Power Supply ASD Adjustable-speed drive

PF Power factor UPQC Unified Power Quality Conditioner PD Phase Disposition

FACT Flexible AC transmission system

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1-Sóng hài và các thành phần của sóng hài Hình 1.2-Phổ sóng hài

Hình 2.1- Bộ lọc RC Hình 2.2- Bộ lọc LC

Hình 2.3- Bộ biến đổi nguồn áp Hình 2.4- Bộ biến đổi nguồn dòng Hình 2.5- Mach lọc song song Hình 2.5- Mạch lọc nối tiếp Hình 2.6-Mạch lọc hỗn hợp Hình 2.7-Mạch lọc UPQC Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống sử dụng thiết bị Dstatcom Hình 3.2 Sơ đồ bộ nghịch lưu nối tầng 5 bậc

Hình 3.3-Linh kiện IGBT/SKM800GA126D Hình 3.4 Tụ điện DC của mỗi bộ cầu H Hình 3.5: Dạng sóng điện áp, dòng điện và điện áp dao động trên tụ Hình 3.6-Cuộn kháng Lf

Hình 3.7-Dạng sóng của dòng điện qua cuộn kháng Hình 4.1 –Giải thuật điều khiển Dstatcom

Hình 4.2-Mô hình Dstatcom theo lý thuyết p-q Hình 4.3-Tính toán dòng điện bù

Hình 4.4- Tính toán áp điều khiển chính Hình 4.5 Khâu PI điều khiển cân bằng năng lượng giữa các pha Hình 4.6-Vectơ điện áp trên tụ DC

Hình 4.7- Thuật toán cân các tụ riêng lẻ bằng tụ Hình 4.8-Kỹ thuật PWM bố trí sóng màn cùng pha (PD- Phase Disposition) Hình 4.9-Khâu phát xung PWM cho pha A

Hình 5.1-Sơ đồ tổng quát Hình 5.2- Các dạng phụ tải khảo sát

Hình 5.3- Dòng điện nguồn Hình 5.4-Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn Hình 5.5-Hệ số công suất của nguồn

Hình 5.6-Góc pha giữa điện áp và dòng điện nguồn

Hình 5.7- Dòng điện nguồn trước khi bù Hình 5.8- Dòng điện nguồn sau khi bù Hình 5.9- Phóng đại dòng điện sau khi sau khi bù (α=1200) Hình 5.10- Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn trước khi bù Hình 5.11- Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn sau khi bù Hình 5.12-Hệ số công suất trước và sau khi bù

Hình 5.13- Góc pha giữa điện áp và dòng điện nguồn

Hình 5.14-Dòng điện nguồn trước khi bù Hình 5.15-Dòng điện nguồn sau khi bù Hình 5.16-Phóng đại dòng điện nguồn sau khi bù (50% tải) Hình 5.17-Công suất tác dụng và công suất phản kháng nguồn trước khi bù Hình 5.18-Công suất tác dụng và công suất phản kháng nguồn sau khi bù Hình 5.19-Hệ số công suất trước và sau khi bù

Hình 5.20- Điện áp DC trên các tụ Hình 5.21- Độ dao động điện áp trên tụ

BẢNG BIỂU

Bảng 1.1-Tần số sóng điều hoà Bảng 1.2- Giới hạn méo dạng điện áp Bảng 1.3-Giới hạn méo dạng dòng điện cho hệ thống phân phối 120V đến 69K V Bảng 3.1-Tổng hợp thông số mô hình Dstatcom

Bảng 4.1-Giá trị điều chỉnh điện áp DC trên tụ Bảng 5.1-Thông số phụ tải

Bảng 5.2-Phân tích FFT dòng điện nguồn sau khi bù Bảng 5.3-Phân tích FFT dòng điện nguồn trước khi bù (tải chỉnh lưu) Bảng 5.4-Phân tích FFT dòng điện nguồn sau khi bù (tải chỉnh lưu) Bảng 5.5- Hệ số công suất trước và sau khi bù (tải chỉnh lưu) Bảng 5.6-Phân tích FFT dòng điện nguồn trước khi bù (tải biến tần) Bảng 5.7-Phân tích FFT dòng điện nguồn sau khi bù (tải biến tần) Bảng 5.8-Điện áp DC trung bình trên mỗi tụ

Bảng 5.9-Độ dao động trên điện áp trên tụ

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN v

CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 4

1.1 Tổng quan về sóng điều hoà 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Ảnh hưởng của sóng hài: 6

1.1.3 Nguồn tạo sóng hài 7

1.2 Tổng quan về bù công suất phản kháng: 8

1.2.1 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng 9

1.2.2 Các tiêu chí bù công suất phản kháng trên lưới 9

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ LỌC SÓNG HÀI & BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 13

3.2 Tính toán các thông số trong hệ hống 21

3.2.2 Chọn điện áp tham chiếu DC 23

3.2.3 Chọn dung lượng tụ DC 24

3.2.4 Chọn cuộn kháng Lf 26

3.3 Khâu cảm biến đo lường: 28

3.4 Tổng hợp tham số mô hình Dstatcom 29

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 30

4.1 Giải thuật điều khiển: 30

4.2 Xác định dòng điện bù theo lý thuyết p-q 31

4.3 Kỹ thuật cân bằng áp tụ 34

4.3.1 Khâu cân bằng điện áp DC trung bình giữa các pha 35

4.3.2 Khâu cân bằng điện áp DC trên các tụ riêng lẻ 36

4.4 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung 39

CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG MẠCH DSTATCOM 41

5.1 Sơ đồ mô phỏng tổng quát 41

5.2 Các mục tiêu khảo sát 42

5.3 Khảo sát đáp ứng hệ thống 43

5.3.1 Khảo sát đáp ứng với tải 3 pha tuyến tính 43

5.3.2 Khảo sát đáp ứng với tải phi tuyến chỉnh lưu thyristor 47

5.3.3 Khảo sát đáp ứng 3 pha phi tuyến biến tần nguồn áp 52

5.4 Khảo sát đáp ứng cân bằng tụ 56

5.5 Đánh giá chung kết quả mô phỏng 59

KẾT LUẬN 60

Nhiệm vụ của đề tài 60

Tính khả thi của đề tài 60

Những vấn đề tồn tại và hướng phát triển 61

MỞ ĐẦU

Lưới điện hiện đại càng phát triển càng trở nên phức tạp bởi số lượng nhà máy điện và phụ tải điện ngày càng tăng Vấn đề độ tin cậy và chất lượng điện năng là vấn đề đặc biệt quan tâm Trong hệ thống điện nói chung và hệ thống phân phối nối riêng có rất nhiều phụ tải được nối vào, đặc biệt là các phụ tải có tính chất phi tuyến Số lượng lớn phụ tải phi tuyến có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện năng Một số ảnh hưởng tiêu biểu như ảnh hưởng sóng hài, tải không cân bằng, võng điện áp, giảm hệ số công suất,…Bên cạnh đó, các vấn đề như khởi động cơ có công suất lớn, đóng cắt các tụ điện và các sự cố bất thường khác cũng là nguyên nhân gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

Để giải quyết vấn đề nêu trên phải kể đến đóng góp hết sức quan trọng của ngành kỹ thuật điện tử công suất Các nghiên cứu ứng dụng vào hệ thống điện nố i riêng và các lĩnh vực khác nối chung ngày càng rộng rãi Linh kiện công suất có khả năng chịu được dòng công suất ngày càng lớn , đáp ứng ngày càng nhanh và độ tin cậy ngày càng cao Nhiều phương pháp điều khiển mới đượ c đề xuất, kỹ thuật điều khiển ngày càng linh hoạt và hiệu quả Bên cạnh đó có sự bùng nổ về các hệ thống nhúng, sự hổ trợ các phần mềm mô phỏng Điều đó cho phép các người thiết kế có thể dễ dàng tiếp cận với các hệ thống hiện đại

Trước đây ứng dụng thiết bị bù tĩnh (SVC) là một trong những giải pháp được sử dụng khá rộng rãi Nhưng bản thân thiết bị SVC bộc lộ nhiều yếu điểm quan trọng Mong muốn một thiết bị mới có nhiều ưu điểm luôn là một yêu cầu cấp thiết Vì thế thiết bị Dstatcom đã và đang được nghiên cứu ngày càng mạnh mẽ và có khả năng thay thế các hệ thống SVC trong tương lai gần

Mục đích và đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu về thiết bị bù lọc Dstatcom cho lưới phân phối 3 pha 3 dây.Thiết bị Dstatcom được thiết kế dựa trên cấu trúc mạch nối tầng 5 bậc

Về mặt lý thuyết, đề tài tiến hành tìm hiểu các vấn đề liên quan Một là vấn đề về sóng hài và bù công suất phản kháng trong hệ thống điện Tiêu chuẩn đánh giá sóng hài và tiêu chí bù công suất phản kháng cũng đư ợc đề cập đến Khảo sát các thiết bị và mô hình áp dụng cho việc bù và lọc sóng hài trong các nghiên cứu gần đây, tìm hiểu kỹ thuật điều khiển nghịch lưu cấu hình đa bậc để đưa ra cấu hình và giải thuật điều khiển hợp lý

Tiến hành mô phỏng trên phần mềm PSIM và khảo sát đáp ứng của hệ thống để đưa ra kết quả đánh giá

Xây dựng được mô hình Dstatcom dựa trên bộ nghich lưu 5 bậc và có khả năng chuyển sang các cấu hình nghịch lưu với số bậc cao hơn để thực hiện các yêu cầu khác

Xác định giải thuật điều khiển; kỹ thuật điều chế sóng mang; kỹ thuật cân bằng áp tụ và các tính toán sơ bộ trong mạch nghịch lưu nối tầng đa bậc

Thông qua việc nghiên cứu đề tài nhằm góp phần giải quyết bài toán về vấn đề lọc sóng hài và bù công suất phản kháng nhờ vào ứng dụng của kỹ thuật điện tử công suất Kết quả đề tài cũng có thể xem là nền tảng cơ bản để tiến đến xây dựng thành công mô hình thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo Đồng thời giúp bản thân nâng cao trình độ chuyên môn, bắt kịp với xu hướng phát triển của thế giới

Bố cục của đề tài:

Đề tài được trình bày theo bố cục như sau:

khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài; bố cục trình bày

hưởng của sóng hài; nguồn gây ra sóng hài Vấn đề bù công suất phản kháng: hiệu quả của việc bù công suất phản kháng; tiêu chí bù công suất phản kháng

phản kháng

5 bậc Tính toán các thông số hoặc phần tử chính của thiết bị: điện áp tham chiếu DC; tiêu chí và tính chọn tụ DC; tiêu chí và tính chọn cuộn kháng giao tiếp

suất tức thời p-q; kỹ thuật cân bằng áp tụ; kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM

trên phần mềm PSIM

khai tiếp theo

CHƯƠNG 1

động bậc n có tần số góc nω, θn là góc pha Phổ của sóng hài được thể hiện theo hình 1.2

Bậc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 … 49 Tần số

Hz 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 … 2450 … Tần số

Hz 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 … 2940 …

Hình 1.2-Phổ sóng hài Mức độ méo dạng của sóng hài có thể biểu diễn bằng phổ các biên độ và góc pha của của các thành phần sóng hài Hệ số méo dạng THD đánh giá mức độ méo dạng của dạng sóng THD có thể được tính theo công thức sau:

22

1

n

CTHD

Bảng 1.2- Giới hạn méo dạng điện áp

Méo dạng điện áp riêng

-0.500.51

Ti ()

00.20.40.60.81

Harmonic order

Theo đó, ở mức điện áp dưới 69kV, THD điện áp cho phép là nhỏ hơn 5% Các thành phần hài điện áp riêng lẻ nhỏ hơn 3%

Đối với méo dạng dòng đi ện, qui định theo tỉ lệ dòng ngắn mạch/dòng tải ISC/IL Tiêu chuẩn không đánh giá dựa vào THD (méo dạng so với dòng cơ bản) mà dựa vào TDD, khi đó đánh giá méo dạng so với IL, IL

22TDD

nn

L

II

∞=

là trị hiệu dụng lớn nhất của tải TDD được định nghĩa theo công thức (1.3)

(1.3)

Trong đó In

= trị hiệu dụng hài dòng điện bậc n Khi THD nhỏ (nhỏ hơn 10%) thì TDD và THD là tương đương nhau (sai l ệch nhỏ hơn 0.5%)

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng hài đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau : Bảng 1.3

Giới hạn méo dạng dòng điện cho hệ thống phân phối 120V đến 69KV Phần trăm giới hạn méo dạng dòng điện so với IL

Méo dạng riêng lẻ các hài bậc lẻ ISC/IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD

PCC = Điểm kết nối chung (Point of common coupling.)

𝑈𝑈𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 = �1𝑇𝑇∫ 𝑢𝑢(𝑡𝑡)0𝑇𝑇 2𝑑𝑑𝑡𝑡 = 𝑈𝑈(1)�1 + 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑈𝑈2 ( 1.4)

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ; làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi Các sóng điều hòa bậc cao còn có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS Đồng thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp dẫn đến làm tăng tổn thất điện năng

Ngoài ra, sóng hài còn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch Nguy hại hơn, các sóng điều hòa bậc cao còn có thể sinh ra momen xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong động cơ; làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng đến con người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng

Sóng hài có thể được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau như sau:

Đây là loại nguồn dòng điển hình của việc điều chỉnh tốc độ truyền động (ASD), của truyền động động cơ DC , nguồn điện áp nghịch lưu điều khiển bằng theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM…

- Lò hồ quang : Trong ngành công nghiệp luyện kim có hai loại lò hồ quang AC và DC gây ra sóng hài đáng kể Lò hồ quang AC có hồ quang phi tuyến không

đối xứng và không ổn định , gây nên sóng hài bậc chẵn , lẻ và liên tục là nguồn gây nhiễu tại mọi tần số Lò hồ quang DC có nguồn hồ quan g được cung cấp qua bộ chỉnh lưu nên ổn định hơn so với nguồn hồ quang DC Sóng hài giống như gây ra bởi bộ chỉnh lưu Sóng hài liên tục thấp hơn so với nguồn hồ quang AC

Các thiết bị bão hoà có thể kể đến như máy biến áp; thiết bị điện từ có lõi thép, động cơ Sóng hài được tạo ra do đặc tuyến từ hoá không tuyến tính của thép Tổng trở của cuộn kháng thay đổi tuỳ theo dòng điện chạy qua chúng , gây nên sự méo dạng dòng điện

Tiêu biểu như các bộ chỉnh lưu ho ặc nghịch lưu; các bộ nạp điện ; ballast điện tử; các bộ nguồn công suất lớn dùng linh kiện điện tử

Được sử dụng rộng rãi nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bậc như tiết kiệm được chi phí; độ sáng được duy trì trong thời gian dài ; tuổi thọ cao Tuy nhiên sóng điều hoà bậc cao sinh ra bởi đèn hình quang cũng rất lớn

Đánh giá vấn đề sử dụng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không người ta đánh giá thông qua hệ số công suất PF Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng

Biểu thức tính toán hệ số công suất:

PF=P/S (1.6) Phần lớn các thiết bị dùng điện điều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q

Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng hay nhiệt năng trong các máy dùng điện

Công suất phản kháng Q không sinh ra công hay còn gọi là công suất vô công nhưng bắt buộc phải có thì một số thiết bị mới hoạt động được , chẳng hạn nó là công suất để từ hoá lõi thép máy biến áp, động cơ…

Do đó trong vận hành người ta mong muốn công suất phản kháng của lưới điện càng ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường

Một vấn đề khác là trong quá trình truyề n tải điện năng từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện…) thì tổn hao trên đường dây truyền tải làm điện áp tại các điểm cách xa nguồn bị suy giảm do đó để đảm bảo cho điện áp không bị suy giảm lớn thì cần bù công suất phản kháng

Công suất phản kháng cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ nguồn vì vậy để tránh truyền tải một lượng công suất phảng kháng lớn người ta đặt gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh công suất phản kháng để cung cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện như vậy gọi là bù công suất phảng kháng

Hầu hết các thiết bị sử dụng điện điều tiêu thụ công suất tác dụng và công suất phản kháng Sự tiêu thụ công suất phản kháng này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cấp công suất phản kháng Sự truyền tải này sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao tổn điện áp tăng lê Đồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến tăng, dẫn đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên Vì v ậy việc bù công suất phản kháng cho lưới điện sẽ có những tích cực sau:

- Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được công suất phản kháng truyền tải trên đường dây

- Giải được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần tổn thất điện áp do công suất phản kháng gây ra

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

Có hai tiêu chí được đề cập về bù công suất phản kháng là tiêu chí kỹ thuật và tiêu chí kinh tế

 Tiêu chí kỹ thuật:

• Yêu cầu về hệ số công suất:

Phụ tải các hộ gia đình thường có công suất cao, thường là gần bằng 1, do đó mức tiêu thụ công suất phản kháng rất ít, không phải là vấn đề lớn cần quan tâm Ngược lại, các xí nghiệp, nhà máy, phân xưởng…đại bộ phận dung động cơ không đồng bộ là nơi tiêu thụ chủ yếu công suất phản kháng Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ, các yếu tố chủ yếu như sau:

- Dung lượng của động cơ càng lớn thì hệ số công suất càng cao, suất tiêu thụ công suất phản kháng càng nhỏ

- Hệ số công suất của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ, nhất là đối với các động cơ nhỏ Ví dụ: động cơ công suất 1kW nếu quay với tốc độ 3000 v/ph thì cos𝜑𝜑=0.85, còn nếu quay với tốc độ 750 v/ph thì cos𝜑𝜑 sụt xuống còn 0.65 Đ ộng cơ có tốc độ quay càng lớn thì hệ số công suất càng cao

- Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào hệ số phụ tải của động cơ Khi động cơ quay không tải lượng công suất phản kháng cần thiết cho động cơ cũng đã bằng 60-70%

Khi có điện áp chạy trong dây dẫn thì bao giờ cũng có điện áp rơi, cho nên điện áp ở từng thời điểm khác nhau trên lưới không giống nhau Tất cả các thiết bị điện đều được chế tạo để làm việc tối yêu với một điện áp nhất định Nếu điện áp đặt trên đầu cực của thiết bị điện khác trị số định mức sẽ làm cho tình trạng làm việc cho chúng xấu đi

Vì lý do trên, việc đảm bảo điện áp ở mức cho phép là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quang trọng Trên thực tế không thể nào giữ được điện áp đặt vào đầu cực của các thiết bị điện cố định bằng điện áp định mức mà chỉ có thể đảm bảo trị số điện áp thay đổi trong một phạm vi nhất định theo tiêu chuẩn kỹ thuật đã cho phép Thông thường điện áp đặt cho phép giao động ±5%

• Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép

Ta có công thức tính toán tổn thất công suất:

∆𝑃𝑃 = 𝑃𝑃2𝑈𝑈+𝑄𝑄2 2𝑅𝑅 (1.7) ∆𝑄𝑄 = 𝑃𝑃2𝑈𝑈+𝑄𝑄2 2𝑋𝑋 (1.8) Từ công thức trên ta thấy rằng, nếu nâng cao điện áp vận hành của mạng điện thì ∆𝑃𝑃 và ∆𝑄𝑄 sẽ giảm Nhưng các phụ tải thì có mức điện áp nhất định do đó phải làm sao để đưa điện áp lên cao mà vẫn giữ được điện áp ở phụ tải là không đổi

Muốn nâng cao điện áp vận hành có nhiều phương pháp: - Thay đổi đầu phân áp của máy biến áp

- Nâng cao điện áp của máy phát điện - Làm giảm tổn hao điện áp bằng các thiết bị bù Phương pháp thứ hai rất ít dung, vì ràng buộc điện áp cực đại đối với lưới điện

Từ công thức ta cũng thấy, nếu giảm Q thì ∆𝑃𝑃 và ∆𝑄𝑄 sẽ giảm Từ đó một trong những biện pháp hiệu quả làm giảm tổn thất công suất là bù công suất phản kháng

 Tiêu chí kinh tế:

Trong những năm gần đây, người ta rất quan tâm đến việc tăng cường sự hoạt động đến hệ thống điện như giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tìm cách sử dụng tốt hơn các thiết bị có sẵn trên lưới điện để hạn chế mua thiết bị mới

Khi thực hiện bù kinh tế người ta tính toán để đạt được các lợi ích, nếu lợi ích thu được cho việc lắp đặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp đặt thì việc bù kinh tế sẽ được thực hiện

- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ vận hành lớn nhất của hệ thống điện, do đó giảm được dữ trữ công suất tác dụng Điều này làm tăng độ tin cậy của hệ thống điện

- Giảm nhẹ tải cho máy biến áp trung gian và đường dây trung áp do giảm được yêu cầu công suất phản kháng

- Giảm được tổn thất điện năng - Cải thiện được chất lượng điện áp trong lưới phân phối

Việc bù kinh tế không thể tách rời hoàn toàn bù kỹ thuật Vì bù kinh tế làm giảm nhẹ bù kỹ thuật Phải kết hợp hai loại bù này hợp lý tạo thành một thể thống nhất có lợi cho hệ thống

CHƯƠNG 2

Từ các phân tích nêu trên, ta thấy sóng điều hoà bậc cao và thiếu công suất phản kháng gây nhiều tác hại lớn cho hệ thống lưới điện như làm giảm chất lượng điện năng, gây ra các tổn thất Do đó để cải thiện chất lượng điện năng thì nh ất thiết phải lọc sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng Có nhiều thiết bị khác nhau để lọc sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng.Tuỳ thuộc vào yêu cầu kinh tế kỹ thuật mà lựa chọn thiết bị và giải pháp phù hợp

Đối với lưới phân phối có nhiều thiết bị hay giải pháp để thực hiện lọc sóng hài và bù công suất phản kháng Tuỳ thuộc vào yêu cầu kinh tế kỹ thuật mà lựa chọn thiết bị và giải pháp phù hợp Sau đây xin trình bày các thiết bị lọc sóng hài và bù công suất phản kháng

Bao gồm các phần tử R, L, C được ghép nối với nhau theo một tần số lọc xác định Bộ lọc tạo ta một đường dẫn có tổng trở xấp xỉ bằng không đối với sóng điều hoà cần lọc để sóng điều hoà loại ra khỏi hệ thống

Thông thường trong sơ đồ ba pha có hai loại bộ lọc là bộ lọc RC và bộ lọc LC Trong cả hai loại bộ lọc này đều có sử dụng tụ điện, tụ điện có thể mắc hình sao hoặc hình tam giác Cấu trúc hai loại bộ lọc như hình 2.1 và 2.2

Bộ lọc RC là loại bộ lọc đơn giản, giá thành rẻ và vận hành ổn định.Tuy nhiên do có thành phần điện trở nên gây tổn hao, tổn hao này càng lớn khi công suất lớn Khả năng chọn lọc tần số kém

Hình 2.1- Bộ lọc RC Hình 2.2- Bộ lọc LC Ngược lại bộ lọc LC có khả năng lọc tốt nhất, lọc được nhiều tần số theo ý muốn Nhược điểm của nó là giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn mạch RC do trong mạch có cuộn cảm Bộ lọc này có thể gây nhiễu cho các thiết bị thông tin do có sự phát sinh sóng điện từ từ cuộn cảm Đồng thời nó có thể xuất hiện hiện tượng cộng hưởng làm tăng dòng và áp dẫn đến hỏng thiết bị

Bộ lọc tích cực kết hợp khả năng bù công suất phản kháng và lọc sóng điều hoà điện áp hoặc sóng điều hoà dòng đi ện Do kết hợp hai chức năng này nên việc điều khiển mạch sẽ phức tạp và thường hạn chế về công suất Thiết bị này chỉ phù hợp ở dải công suất nhỏ

Bộ lọc này có nhiều các phân loại khác nhau như dựa vào bộ biến đổi công suất được sử dụng, theo sơ đồ kết nối mạch lọc, dựa theo nguồn cấp …

• Căn cứ vào bộ biến đổi công suất trong mạch lọc, ta có hai loại mạch lọc tích cực: bộ biến đổi nguồn áp (VSI) và bộ biến đổi nguồn dòng (CSI) như hình 2.3 và 2.4 Cấu trúc VSI cho phép mở rộng ra cấu trúc đa bậc Ngược lại cấu trúc CSI thì không cho phép, tần số đóng ngắt hạn chế và tổn hao đóng ngắt lớn

Hình 2.3- Bộ biến đổi nguồn áp Hình 2.4- Bộ biến đổi nguồn dòng • Căn cứ vào sơ đồ kết nối mạch lọc, ta cũng có hai loại mạch lọc tích cực: mạch lọc tích cực song song và mạch lọc tích cực nối tiếp

Hình 2.5- Mach lọc song song Nguồn

Mạch lọc tích cực song song

Tải phi tuyến

IF

Hình 2.5- Mạch lọc nối tiếp

Mạch lọc song song triệt tiêu sóng điều hoà dòng điện bậc cao sinh ra bởi tải phi tuyến ảnh hưởng lên đường dây Đồng thời mạch lọc còn có khả năng bù công suất phản kháng tại điểm kết nối giữa mạch lọc và lưới điện

Mạch lọc nối tiếp dung để triệt tiêu sóng điều hoà điện áp bậc cao và có thể bù sụt áp trên đường dây

Mạch lọc hỗn hợp là sự kết hợp giữa mạch lọc tích cực và mạch lọc thụ động Ưu điểm của mạch lọc dạng này là giảm chi phí đầu tư ban đầu và cải thiện mạch lọc thụ động Bộ lọc thụ động sẽ được thiết kế để lọc những sóng điều hoà mà bộ lọc tích cực không lọc được hoặc lọc một cách khó khăn Nhờ đó thông số của bộ lọc tích cực sẽ không yêu cầu quá cao qua đó giảm được chi phí

Một số sơ đồ nguyên lý của mạch lọc hỗn hợp như sau:

IF

Tải phi tuyến

Mạch lọc tích cực nối tiếp

Nguồn

UL

UF

Hình 2.6-Mạch lọc hỗn hợp Bên cạnh đó, Ta còn có bộ lọc UPQC là sự kết hợp cả hai tính năng của bộ lọc tích cực nối tiếp và bộ lọc tích cực song song cùng với bộ lọc thụ động Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc UPQC như hình bên dưới

Bộ lọc tích cực song song

Bộ lọc thụ động Nguồn

Tải phi tuyến

Bộ lọc tích cực nối tiếp

Bộ lọc tích cực song song Nguồn

Có nhiều thiết bị bù công suất phản kháng khác nhau Sau đây là một số thiết bị bù rất phổ biến hiện nay như:

- Tụ điện tĩnh - Máy bù đồng bộ - Các thiết bị bù trong FACT Trong đó máy bù đồng bộ và các thiết bị bù trong trong FACT thường được dùng trong hệ thống truyền tải, chẳng hạn ở đầu vào các đường dây truyền tải Trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp

Tụ điện tĩnh là thiết bị phổ biến được sử dụng bù công suất phản kháng cho lưới phân phối Tụ điện tĩnh là một đơn vị hay một dãy đơn v ị nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích tạo ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải Nhờ đó là giảm công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây

Khi có điện áp đặt vào tụ điện có dòng điện chạy qua tụ, dòng này vư ợt trước điện áp một góc 90 độ do đó phát ra công suất phản kháng

Các tụ điện tĩnh được sử dụng rộ rãi để điều chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện như: hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu dân đông dân cư và nông thôn Một số thiết bị bù tĩnh cũng được đặt ở các trạm tuyền tải

Tụ điện tĩnh có những ưu điểm sau: - Tổn thất công suất nhỏ

- Vận hành đơn giản - Sử dụng được ở mọi cấp điện áp - Tụ điện tĩnh đư ợc chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, nên dễ dàng điều chỉnh dung lượng theo sự phát triển của phụ tải

Bên cạnh đó tụ điện tĩnh cũng có một số nhược điểm chính như sau: - Chỉ phát công suất phản kháng, nên khi bù thừa phải cắt tụ ra - Không điều chỉnh trơn và rất nhạy với điện áp Tụ có thể phát nổ khi điện áp đặt lên tụ vượt quá 10% điện áp danh định

- Khi đóng tụ điện vào hệ thống điện sẽ sinh ra dòng đi ện xung, khi ngắt tụ điện khỏi mạng nếu không có thiết bị phóng điện thì sẽ có điện áp dư trên tụ

Tụ điện tĩnh thường được bù theo hai cách sau:

 Bù tĩnh (bù nền): Bố trí bù gồm một hoặc nhiều tụ tạo nên lượng bù không

đổi Việc điều khiển đóng cắt có thể bằng tay hoặc công tắc tơ Tụ bù nền được mắc trực tiếp vào tải, đóng điện cho mạch bù đồng thời khi đóng tải

Các tụ điện được đặt: - Trong các trường hợp khi tải không thay đổi - Tại vị trí đấu nối của thiết bị tiêu thụ điện có tính cảm - Tại vị trí thanh góp cấp nguồn cho nhiều động cơ nhỏ và các phụ tải có tính cảm kháng

- Thiết bị này được lắp đặt tại các vị trí mà công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi rất rộng

Bên cạnh tụ điện tĩnh, thiết bị bù nhuyễn công suất phản kháng –Dstatcom cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thời gian gần đây Trong các phần trình bày tiếp sau đây sẽ trình bày cụ thể về thiết bị Dstatcom

CHƯƠNG 3

Thiết bị Dstatcom trong đề tài này được áp dụng cho hệ thống nguồn 3 pha 3 dây, tần số 50 Hz Phụ tải 3 dây phi tuyến cân bằng Sơ đồ hệ thống như hình 3.1

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống sử dụng thiết bị Dstatcom Trong đó:

- vsa/vsb/vsc- i

: điện áp nguồn ba pha sa/isb/isb

Như hình 3.1 thiết bị Dstatcom gồm có các phần tử chính như sau: - Mạch động lực: Bộ nghịch lưu nối tầng 5 bậc

- Tụ DC - Cuộn kháng giao tiếp với lưới - Khâu điều khiển

- Khâu đo lường Thiết bị Dstatcom được kết nối với hệ thống lưới phân phối tại điểm nối chung (PCC) thông qua cuộn kháng Lf

Mạch động lực của thiết bị dựa trên cấu trúc bộ nghịch lưu nối tầng 5 bậc Khâu điều khiển gồm các tính toán dựa trên lý thuyết dòng chảy công suất tức thời p-q, kỹ thuật PWM và vấn đề cân bằng điện áp trên tụ DC Khâu điều khiển sẽ được trình bày chi tiết trong chương tiếp theo Hệ thống nguồn ba pha cung cấp cho phụ tải phi tuyến hoặc tuyến tính Đặc biệt phụ tải phi tuyến có dòng điện bị méo dạng gây ra bởi sóng hài bậc cao Dstatcom chuyển đổi nguồn áp từ DC sang AC 3 pha ở tần số làm việc cơ bản , cung cấp dòng điện bù để thực hiện bù công suất phản kháng và khả năng triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao của dòng phụ tải để dòng điện nguồn có dạng “sin”

Thiết bị Dststcom được thiết kế theo các thông số của hệ thống và yêu cầu như sau:

- Điện áp nguồn 3 pha 0.4KV, tần số 50Hz - Dòng bù lớn nhất trên ngõ ra bộ nghịch lưu IRSM- Độ dao động điện áp DC khi xác lập nhỏ hơn 5% so với điện áp đặt

chuộng vì có dạng môđun đồng nhất và đơn giản Bộ Dstatcom trong nghiên cứu này được xây d ựng trên mạch biến đổi n ối tầng 5 bâc Bộ nghịch lưu dạng nối tầng cho phép mở rộng giải công suất lớn hơn mà linh kiên công suất có giải công suất thiết kế nhỏ

Trong sơ đồ này bộ nghich lưu được nối “sao”(Y) có hai bộ cầu H được mắc nối tiếp trên mỗi pha như hình 3 2 Với n= 2 là số bộ cầu H trên mỗi pha, thì bậc điện áp nghịch lưu tương ứng là (2n+1)=5 bậc

Hình 3.2 Sơ đồ bộ nghịch lưu nối tầng 5 bậc Do linh kiện công suất làm việc ở tần số đóng ngắt cao nên ta chon linh kiện IGBT Việc lựa chọn linh kiện công suất là sự kết hợp của nhiều yếu tố như dòng cực đại qua linh kiện, điện áp ngược cực đại đặt lên linh kiện, tần số đóng ngắt, tổn thất do đóng ngắt, điều kiện làm mát…Viêc tính toán linh kiện rất phức tạp đòi hỏi nhiều yếu tố Trong đề tài này, chọn sơ bộ link kiện công suất theo dòng đi ện cực đại chạy qua nó Dòng tính toán chạy qua linh kiên công suất theo công thức sau:

IIGBT ≥ 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜√2IRSM (3.1)

Trong đó: - 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜 : hệ số quá tải dòng, thông thường chọn 𝑘𝑘𝑜𝑜𝑜𝑜 ≥ 2 - IRSM

- I

: dòng bù lớn nhất của bộ nghịch lưu IGBT :

Điện áp tham chiếu DC có thể được tính chọn theo công thức:

kov. Vm ≤ 2.VDC_ref ≤ VCE rated

- V

=1200V (3.2) Trong đó

Hình 3.4 Tụ điện DC của mỗi bộ cầu H Theo các nghiên cứu gần đây, có nhiều tiêu chí lựa chọn dung lượng của tụ điện DC như sau:

- Theo độ dao động điện áp: tụ điện có dung lượng lớn hơn cho độ dao động điện áp nhỏ hơn

- Theo hệ số điều chế: thiết bị làm việc ở hệ số điều chế cao thì độ gợn điện áp trên tụ cũng lớn hơn

- Theo độ vọt lố của quá trình quá độ: tụ điện có dung lượng nhỏ hơn cho độ vọt lố lớn hơn

- Theo thời gian quá độ: tụ điện càng nhỏ thì thời gian quá độ càng ngắn, tuy nhiên độ vọt lố trong trường hợp này lại lớn

Trong các tiêu chí nêu trên, việc tính chọn theo độ gợn điện áp cho phép tính toán định lượng tương đối đơn giản Các tiêu chí còn lại cho phép đối chiếu kiểm tra và tuỳ trường hợp mà có sự điều chỉnh giá trị tụ điện được chọn Tính toán giá trị tụ điện được thực hiện như trình bày dưới đây

(H-bridge) Vdc_ref

Mối quan hệ giữa điện dung tối thiểu của tụ điện theo điện tích và độ dao động điện áp cho bởi công suất:

giá trị hiệu dụng dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu, f là tần số cơ bản, m là hệ số điều chế

+ Vdc_ref

-Vdc_ref

∆Vdc Vdc_ref

Theo tiêu chí độ dao động điện áp, tụ C có giá trị càng lớn thì đ ộ dao động điện áp càng giảm, nên ta chọn tụ Cdc_min

Việc tính chọn giá trị điện kháng có thể căn cứ vào các tiêu chí: - Theo khả năng lọc sóng hài: cuộn kháng có giá trị lớn cho khả năng lọc sóng hài càng tốt

- Theo tổn thất điện áp trên trên cuộn kháng - Theo độ gợn dòng điện qua cuộn kháng

Theo giới hạn của dòng đi ện ngắn mạch và dòng đi ện sóng hài, không nên thiết kế điện kháng quá nhỏ Giá trị nhỏ nhất của điện kháng có thể xác định theo độ