Thiết kế luật điều khiển PID cho bộ khôi phục điện áp động một pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN BÁ VIỄN THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN PID CHO BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG MỘT PHA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, Năm 2017 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LÊ HÒA Phản biện 1: TS NGÔ ĐÌNH THANH Phản biện 2: TS NGUYỄN VĂN SUM Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng năm 2017 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Lõm/lồi điện áp thay đổi điện áp thời gian ngắn gây nên cố số phụ tải quan trọng Vì phụ tải kiểu hoạt động đòi hỏi chất lượng điện cung cấp phải đảm bảo ổn định, tin cậy, chất lượng tần số, chất lượng dòng điện, chất lượng điện áp Tuy xét đến chất lượng điện năng, chủ yếu xem xét đến điều chỉnh chất lượng điện áp tần số Hiện tượng lõm/lồi điện áp ngắn hạn tượng gây ảnh hưởng đến lớn đến chất lượng điện tần xuất xảy thường xuyên, có khả gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến phụ tải Lõm/lồi điện áp khắc phục ứng dụng khôi phục điện áp động Bộ khôi phục điện áp động xây dựng sở biến đổi lượng để bù phần lượng bị nhờ vào linh kiện điện tử công suất điều khiển điện áp Bộ khôi phục điện áp động có tính ưu việt khả đáp ứng tác động nhanh độ xác cao, đảm bảo vận hành hệ thống cách linh hoạt Trong phạm vi luận văn tập trung nghiên cứu giải vấn đề cấu trúc, điều khiển chế độ làm việc khôi phục điện áp động (Dynamic Voltage Restorer - DVR) nhằm đảm bảo loại bỏ cố lõm/lồi điện áp cho phụ tải quan trọng, tìm hiểu đặc điểm lõm/lồi điện áp, nguyên nhân ảnh hưởng đến phụ tải, xây dựng thuật toán cho hệ thống điều khiển PID đảm bảo đáp ứng nhanh chóng xác 2 Mục tiêu nghiên cứu Khảo sát nguyên nhân gây lõm/lồi điện áp Nghiên cứu phương pháp điều khiển tìm hiểu đặc điểm lõm/lồi điện áp, nguyên nhân ảnh hưởng đến phụ tải Nghiên cứu tính toán tham số cho hệ thống điều khiển đảm bảo đáp ứng nhanh chóng xác Xây dựng mô phần mềm Mathlap/Smulink Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Bộ điều khiển DVR pha sử dụng dự trữ lượng điện cần thiết để bù lõm/lồi điện áp cho phụ tải quan trọng Phạm vi nghiên cứu vấn đề điều khiển khôi phục điện áp động pha Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Sử dụng mô hình mạch điện Mô máy tính sử dụng phần mềm Matlab-Simulink Bố cục đề tài Chương 1: Giới thiệu chất lượng điện khôi phục điện áp động Chương 2: Cấu trúc khôi phục điện áp động (DVR) Chương 3: Kỹ thuật điều khiển khôi phục điện áp động Chương 4: Kết mô hoạt động DVR CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG 1.1 CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG Khi chất lượng điện không đảm bảo gây nên số tác hại như: - Đo đếm không xác - Relay bảo vệ tác động sai bị lỗi - Gây cúp điện, hư hỏng thiết bị - Làm tăng tổn hao, tăng chi phí - Gây nhiễu điện từ tiếng ồn Các tƣợng làm suy giảm chất lƣợng điện năng: - Gián đoạn ngắn điện áp - Lõm/lồi điện áp - Sự méo dạng sóng hài - Nháy điện - Mất cân pha - Thay đổi tần số nguồn 1.2 ĐỊNH NGHĨA LÕM/LỒI ĐIỆN ÁP Theo IEEE Std 1159-1995, lõm điện áp tượng suy giảm điện áp tức thời đột ngột thời điểm mà giá trị điện áp hiệu dụng (RMS) 10% đến 90% so với điện áp chuẩn Lồi điện áp tăng giá trị RMS lên 110% giá trị định mức [25, 26] 1.3 HIỆN TƢỢNG LÕM/LỒI ĐIỆN ÁP Lõm/lồi điện áp tượng suy giảm/tăng biên độ điện áp tức thời, thời điểm mà giá trị hiệu dụng giảm/tăng so với điện áp chuẩn xảy khoản thời gian ngắn từ chu kỳ đến phút 1.4 ĐẶC ĐIỂM LÕM ĐIỆN ÁP 1.4.1 Độ lớn lõm điện áp 1.4.2 Thời gian tồn 1.4.3 Di/dịch chuyển góc pha 1.5 ẢNH HƢỞNG CỦA LÕM ĐIỆN ÁP 1.6 NGUYÊN NHÂN GÂY LÕM ĐIỆN ÁP 1.7 CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ LÕM ĐIỆN ÁP 1.7.1 Hạn chế cố xảy hệ thống 1.7.2 Giảm thời gian loại trừ cố 1.7.3 Thay đổi kết cấu lƣới 1.7.4 Cải thiện khả chịu đựng sụt áp thiết bị 1.7.5 Giảm thiểu lõm điện áp thiết bị - Hệ thống cung cấp nguồn liên tục (UPS) - Bộ điều khiển khôi phục điện áp động (DVR) - Thiết bị bù tĩnh (SVC) 1.8 CẤU TRÚC ĐIỂN HÌNH BỘ DVR Cấu trúc DVR điển hình thể hình 1.5 R g Lg ig(t) ug(t) ubù(t) PCC uL(t) Load DVR Inject transformer Cf Filter Lf Inverter Control system Enerry Storage Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc thành phần DVR 1.9 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG DVR Khi có cố lõm điện áp xảy DVR sử dụng nguồn phụ chỉnh lưu bù phầm lõm điện áp thông qua máy biến áp nối tiếp 1.10 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN Lõm điện áp tượng gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện hệ thống điện Hiện nay, việc sử dụng thiết bị điện tử công suất, máy vi tính, dây chuyền sản xuất tự động hóa , đặt vấn đề hạn chế ảnh hưởng tượng lõm điện áp lưới phân phối trở nên quan trọng Trong giải pháp xử lý tượng lõm điện áp, thiết bị khôi phục điện áp động DVR biện pháp hiệu thiết bị đảm bảo điện áp phụ tải đạt giá trị cho phép với khả đáp ứng nhanh độ tin cậy cao trước cố gây lõm điện áp CHƢƠNG CẤU TRÚC BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG 2.1 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ BỘ DVR 2.1.1 Giá trị điện áp bù Khả chèn điện áp thể qua hệ số chèn điện áp: U DVR % U DVR 100% U supply , đm (2.2) Khả điều chỉnh dòng điện DVR xác định hệ số chèn dòng điện: iDVR % I DVR I load , đm 100% (2.3) Tiêu hao lượng cho lõm điện áp đối xứng trường hợp tải đối xứng tính qua hệ số huy động tiêu hao lượng: EDVR % (U supply U sag ) I load cos load t sag (2.4) Trong đó, tsag thời gian tồn lõm, Usag điện áp nguồn lõm, Usupply,Pre điện áp nguồn trước lõm, IDVR-dòng điện DVR 2.1.2 Tham số công suất Từ hình 2.1 Công suất tác dụng công suất phản kháng nghịch lưu bơm vào lưới [15, 17, 28]: Pinj Qinj U sag cos cos U sag sin sin Pload (2.5) Qload (2.6) Lựa chọn khả bù điện áp DVR 50% Từ ta xác định công suất toàn phần DVR thông qua hệ số suy giảm điện áp: Xác định hệ số giảm điện áp điện áp nguồn: U rate U sag U rate 0.5 (2.7) Từ công thức 2.7 Công suất toàn phần DVR xác định: SDVR U DVR IOUT SLoad (2.8) 2.2 CÁC KIỂU DVR 2.2.1 Kiểu DVR lƣu trữ lƣợng a Kiểu DVR có lượng dự trữ mắc phía nguồn b Kiểu DVR có lượng dự trữ mắc phía tải 2.2.2 Kiểu DVR có dự trữ lƣợng Kiểu DVR sử dụng lưu trữ lượng điện xảy cố lõm điện áp hệ thống DVR sử dụng lượng lưu trữ để bù lõm điện áp hệ thống cho phụ tải [21] Estorage CDC u DC, rated (2.18) Để khôi phục điện áp tải, cần phải tiêu hao lượng phát DVR cấp cho phụ tải mà khả lưu trữ lượng đáp ứng giảm xuống đến giá trị điện cho phép: 2 CDC uDC uDC b2 4ac (2.19) ,begin ,end Khi điện áp ban đầu lưu trữ lượng uDCbegin điện áp kết thúc uDCend cho phép lưu trữ lượng làm việc DVR a Kiểu DVR có dự trữ lượng thay đổi b Kiểu DVR có dự trữ lượng không thay đổi 2.2.3 So sánh lựa chọn cấu trúc DVR Dựa đặc điểm cấu trúc kiểu DVR vừa phân tích nêu trên, kiểu DVR nguồn lượng dự trữ phù hợp với dạng cố lõm điện áp thời gian dài không phù hợp với dạng cố lõm điện áp sâu Với trường hợp sụt áp khoảng thời gian ngắn biên độ sụt áp lớn, cấu hình sử dụng nguồn lượng dự trữ hoạt động tốt 2.3 MÁY BIẾN ÁP BÙ 2.3.1 Xác định điện áp danh định phía sơ cấp Trong trường hợp áp dụng phương pháp bù giá trị danh định cực đại xác định công thức[15]: E U dm1 U L2 (1 D)2U s2 D 2U L' (1 D)U s cos US (2.22) (2.23) U sag Trong đó, Us điện áp nguồn danh định, U'L điện áp mà hệ thống DVR ổn định tải (thông thường điện áp danh định tải), D độ sâu lõm cực đại, cosφ hệ số công suất tải 2.3.2 Xác định dòng điện danh định phía sơ cấp MBA Dòng danh định qua cuộn dây sơ cấp toàn dòng tải, ILdm M I Ldm I dm1 I L2 max,( h ) (2.24) n l Trong đó, ILdm dòng điện tải danh định hài bản, ILmax(h) thành phần cực đại phổ dòng điện tải 2.3.3 Công suất danh định biến áp [15] Sdm1 kqtU dm1 I dm1 (2.25) Trong đó, kqt hệ số tải chấp nhận 2.3.4 Hệ số biến áp Tỷ lệ xác định theo[15]: n U dm1 U dm U DVR U conv (2.26) 2.4 BỘ NGHỊCH LƢU 2.4.1 Bộ nghịch lƣu áp pha dạng mạch cầu 2.4.2 Phân tích nghịch lƣu áp pha a Công suất tải: Công suất tiêu thụ tải R-L xác định theo hệ thức RIt2 Với It trị hiệu dụng dòng điện qua tải, tính theo biểu thức: T It it t dt T0 T /2 T U R I U e R /t dt (2.41) Công suất tải xác định theo trị trung bình dòng qua nguồn DC, IS bỏ qua tổn hao linh kiện công suất nghịch lưu: P UI s IS T T /2 U R I (2.42) U e R t/ b Phân tích sóng hài Quá trình điện áp tải qua phép phân tích Fourier có dạng: (2.43) 11 2.8 HẠN CHẾ CỦA DVR 2.9 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CẤU TRÚC DVR Qua phân trích nêu đưa điều kiện cần thiết để chọn cấu trúc DVR: S3 Rg L g ig(t) ug(t) ubù(t) PCC S1 uL(t) Load S2 inject transformer Detection voltage sag Cf Filter Controller Lf Enerry Storage Inverter Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc DVR CHƢƠNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG TRÊN TẢI 3.1 PHÁT HIỆN LÕM ĐIỆN ÁP Độ lớn vector không gian hệ tạo độ tĩnh αβ u(2supply , | u supply , | usupply , ) u(2spupply , (3.1) ) (3.2) uref Độ lớn vector sai lệch so sánh với giá trị ngưỡng hệ tọa độ dq | u ( erro , dq ) | u L* , d u( s , d u L* , q us ,q (3.3) 12 uerror ,dq (3.4) uref Giá trị biên độ điện áp so sánh vơi giá trị đặt N U rms K k ui2 (3.5) i k N Trong đó: N số mẫu chu kỳ; Ui sóng điện áp lấy mẫu I; k thời điểm tính điện áp hiệu dụng 3.2 PHƢƠNG PHÁP TẠO ĐIỆN ÁP BÙ CỦA DVR 3.2.1 Phƣơng pháp điều khiển tối ƣu chất lƣợng điện áp Khi xảy biến cố lõm điện áp, độ lớn góc pha điện áp nguồn cung cấp thay đổi gọi điện áp lõm ký hiệu Usagvà góc lệch pha δ Ugrid UL =U'L UDVR IL Usag Hình 3.2 Đồ thị vector phương pháp bù tối ưu chất lượng điện áp - Trường hợp lõm điện áp dịch góc pha δ = biên độ điện áp UDVR hiệu độ lớn điện áp nguồn Ugird điện áp nguồn lõm Usag U DVR U gird (3.6) U sag - Trường hợp lõm điện áp có dịch góc pha δ ≠ 0, độ lớn điện áp UDVR tăng góc δ tăng tính từ công thức: U DVR U sag cos DVR tan U sag sin U sag sin U dip cos (3.7) (3.8) Công suất tác dụng cần thiết bơm vào lưới sử dụng phương 13 pháp xác định theo biểu thức: PDVR U DVR I L cos (3.9) DVR 3.2.2 Phƣơng pháp điều khiển tối ƣu biên độ điện áp Phương pháp phục hồi giá trị biên độ điện áp tải xảy sụt áp với biên độ điện áp chế độ bình thường [22, 26]: Ugrid IL UL =U'L Usag UDVR nh Đồ thị vector phương pháp bù biên độ điện áp U DVR U gird U sag δ (3.10) Công suất cần chèn vào xác định theo biểu thức sau: PDVR U DVR I L cos α 3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ khối hệ thống điều khiển DVR sau [18]: nh Sơ đồ điều khiển DVR 3.4 ĐỒNG BỘ VỚI NGUỒN ĐIỆN 3.4.1 Kỹ thuật vòng khóa pha (PLL) 3.4.2 Phƣơng pháp qua điểm không 3.4.3 Phƣơng pháp điều khiển đầu nghịch lƣu (3.11) 14 Dựa phương pháp nguyên lý điều khiển xung điện áp xoay chiều điều khiển độ rộng xung (PWM), điều khiển thời gian xung điện áp tạo tác động trình mở IGBT với thời gian t (second) sinh [16]: t T βT 3600 T β 3600 (3.12) Trong đó: t: Thời gian đặt tương ứng với góc lẹch pha ; T: Chu kỳ điện áp lưới, T=1/f; 3.5 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN TẢI 3.6 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân cộng lại với để tính toán đầu điều khiển PID Định nghĩa đầu điều khiển, biểu thức cuối giải thuật PID là: t u t KPe t K i e t dt Kd d e t dt (3.13) 3.6.1 Các phƣơng pháp điều chỉnh thông số PID a Điều chỉnh thủ công b Phương pháp Zeigler-Nichols 3.7 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN Do đặc trưng tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn, yêu cầu điều khiển DVR phải phát nhanh chóng thời điểm bắt đầu, kết thúc sụt áp tính toán xác mức độ sụt áp Kỹ thuật so sánh điện áp góc lệch pha với giá trị điện áp đặt góc lệch pha đặt phát gần tức thời sụt giảm điện áp xảy hệ thống, tính toán xác mức độ sụt giảm điện áp, đơn giản hóa việc điều khiển dễ dàng cài đặt vào vi xử lý Cấu trúc điều khiển DVR dùng mạch vòng điều khiển phản hồi 15 kín từ điện áp tải luật điều khiển PID để điều khiển nghịch lưu áp pha S3 Rg Lg ig(t) ug(t) ubù(t) PCC S1 uL(t) Load S2 inject transformer Detection voltage sag Cf PID Filter Lf PWM Inverter Enerry Storage Hình 3.11 Sơ đồ điều khiển DVR CHƢƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA DVR Hệ thống mô gồm nguồn điện xoay chiều 220V cung cấp cho phụ tải có thông số R1=5Ω, L1=20mH phụ tải đóng vào để gây nguyên nhân lõm điện áp R2=10Ω, L2=100mH Sơ đồ tương đương mạch điện hình 4.2 Hình 4.2 Sơ đồ mạch điện 4.1 TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ MẠCH ĐIỆN Từ sơ đồ mạch điên ta có: Tổng trở phụ tải 16 Z 8.02 51.47 32.95 72.33 40.54 68.29 (3.14) Dòng điện phụ tải U Z Điện áp giảm 220 5.42 40.54 68.29 I V I * Z2 5.42 68.29 68.29 * 32.95 72.33 173 4.03 (3.15) (3.16) Như sau đóng thêm phụ tải vào hệ thống điện áp bị giảm 19%, biên độ 42V, lệch pha góc δ=4.030và dòng điện lệch pha với điện áp góc α=-68.290 U DVR U sag cos DVR tan U sag sin U sag sin U dip cos 44, 21V 16.310 (3.17) (3.18) Như DVR bù giá trị biên độ 44.21V góc bù -16.310 4.2 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CỦA DVR 4.3 THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP BÙ 4.4 THIẾT KẾ BỘ LỌC 4.5 BỘ LƢU TRỮ NĂNG LƢỢNG Bảng 4.1 Tổng hợp tham số DVR lưới điện Tham số Nguồn điện Phụ tải Phụ tải Máy biến áp bù Bộ lọc LfCf PID Giá trị U=220VAc f=50Hz U=200VDC R1=5Ω, L1=20mH R2=10Ω L1=100mH Sđm=665VA, n=1 LF=24.10-3H, Cf=1.10-6F KI=0.4, KI=180, KI=10 17 4.6 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ DVR Mô hình mô phân phần mềm Matlab/Simulink: Hình 4.4 Mô hình mô 4.7 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Từ kết mô hoạt động DVR thu được, hệ thống làm việc bình thường điện áp tải điện áp nguồn Hình 4.5 Điện áp nguồn điện Hình 4.6 Điện áp tải Trƣờng hợp 1: Hệ thống làm việc đóng thêm phụ tải R, L DVR 18 Hình 4.7 Điện áp tải trước bù Hình 4.8 Điện áp bù Hình 4.9 Điện áp tải Nhận xét: Từ kết mô hoạt động DVR thu được, hệ thống làm việc bình thường đóng thêm phụ tải R, L điện áp phụ tải bị giảm xuống so với điện áp tải ban đầu 19% Trƣờng hợp 2: Khi hệ thống làm việc đóng thêm phụ tải R, L có DVR Hình 4.10 Điện áp tải trước bù Hình 4.11 Điện áp bù 19 Hình 4.12 Điện áp tải Nhận xét: Từ kết mô hoạt động DVR thu được, hệ thống làm việc bình thường đóng thêm phụ tải R, L thời điểm từ 0.3-0.7s điện áp tải DVR bơm vào với điện áp 44V để điện áp tải thời điểm đóng thêm phụ tải từ 0.3-0.7s giá trị điện áp tải ban đầu 220V Ngoài để đánh giá chất lượng điện theo độ méo điện áp tính theo công thức 2.45 kết mô theo hình 4.13 với giá trị điện áp 220V, tần số 50Hz độ méo điện áp THD=0.85% nằm dãy cho phép theo tiêu chuẩn IEEE-519 với THD máy điện đồng cho phép