Nghiên cứu biện pháp ngăn chặn sụt giảm điện áp ngắn hạn

Tuy vậy khi xem xét đến vấn đề chất lượng điện năng chủ yếu người ta quan tâm đến chất lượng điện áp.Trong đó hiện tượng sụt áp ngắn hạn là một trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng lớn

MẪU TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRUNG HƯNG

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NGĂN CHẶN SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS TRƯƠNG NGỌC MINH

HÀ NỘI-2011

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cám ơn các thầy giáo, cô giáo Bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS Trương Ngọc Minh đã tận tình hướng dẫn giúp tác giả hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh các chị, bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả thực hiện luận văn

Vì thời gian có hạn, bản luận văn không thể tránh khỏi các thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Các kết quả tính toán nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố ở bất kì bản luận văn nào khác

Hà nội, tháng 9 năm 2011 Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Hưng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP

NGẮN HẠN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 13

1.1 Tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn 13

1.1.1 Khái niệm về hiện tượng sụt giảm điện áp 13

1.1.2 Ảnh hưởng của sụt áp ngắn hạn 13

1.1 3 Nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp 14

1.1.4 Các đặc trưng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn 14

1.1.5 Các chỉ tiêu đánh giá sụt giảm điện áp ngắn hạn 14

1.1.6 Các biện pháp hạn chế hiện tượng sụt giảm điện áp 16

1.2 Kết Luận 22

CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR 23

2.1 Cấu trúc chung của DVR 23

2.2 Bộ phận cấp năng lượng 24

2.2.1 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung 24

a Bộ chỉnh lưu nối với phía nguồn cấp ( Suppy side) 24

2.2.2 DVR sử dụng nguồn cấp bổ sung 27

2.2.3 So sánh cấu trúc bộ phận cấp năng lượng của DVR 29

2.3 Mạch nghịch lưu 30

2.4 Bộ lọc 33

2.5 Máy biến áp ghép 34

2.6 Các chế độ hoạt động của DVR 34

2.6.1 Chế độ chờ 34

2.6.2 Chế độ hoạt động 34

2.6.3 Chế độ dừng hoạt động ( Bypass mode) 34

2.7 Kết luận 35

CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DVR 37

3.1 Các phương pháp phát hiện và tính toán sụt áp ngắn hạn 37

3.1.1 Phương pháp tính toán biên độ điện áp 37

3.1.2 Phương pháp biến đổi Fourier 37

3.1.3 Phương pháp xác định giá trị đỉnh của điện áp 37

3.1.4 Phương pháp biến đổi Clark và Park 38

3.2 Thuật toán điều khiển DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn 44

3.2.1 Thuật toán điều khiển tối ưu chất lượng điện áp 45

3.2.2 Thuật toán điều khiển tối ưu biên độ điện áp 46

3.2.3 Thuật toán điều khiển tối ưu năng lượng 46

3.2.4 So sánh các thuật toán điều khiểnDVR 46

3.3 Các bộ điều khiển DVR 47

3.3.1 Bộ điều khiển điện áp vượt trước 47

3.3.2 Bộ điều khiển hồi tiếp điện áp 48

3.4 Mạch nghịch lưu 50

3.4.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu 3L-NPC 51

3.4.2 Trạng thái của các khóa chuyển mạch 51

3.4.3 Quá trình chuyển mạch 53

3.4.4 Điều khiển chuyển mạch cho nghịch lưu 3L-NPC 55

3.5 Kết luận 59

CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/ SIMULINK MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA DVR CHỐNG SỤT ÁP NGẮN HẠN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 60

4.1 Ứng dụng phần mềm Simulink mô phỏng hoạt động của DVR ngăn ngừa sụt áp ngắn hạn trên hệ thống điện 60

4.1.1 Sơ đồ nguyên lý 60

4.1.2 Cấu trúc mô phỏng DVR 61

4.1.3 Mô hình mô phỏng DVR 67

4.2 Kết quả mô phỏng 69

4.2.1 Trường hợp sụt giảm điện áp đối xứng 69

4.2.2 Trường hợp sụt giảm điện áp không đối xứng 73

4.4 Đánh giá hiệu quả hoạt động của DVR 88

KẾT LUẬN CHUNG 90

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DVR Dynamic Voltage Restorers – Thiết bị khôi phụ điện áp động DSTATCOM Distribution Static Compensator-Thiết bị bù tĩnh

STS Static Transfer Switch - Khóa chuyển mạch tĩnh

VSI Voltage Source Inverter- Nghịch lưu nguồn áp

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh các cấu hình bộ phận cấp năng lượngcủa DVR 28 Bảng 3.1 Trạng thái các khóa chuyển mạch……….42 Bảng 3.2: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC… 45 Bảng 4.1 Giá trị điện áp nguồn và điện áp tải khi xảy ra sự cố……… 87

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.7 Cấu trúc nghịch lưu nửa cầu ba pha ba mức sử dụng diode kẹp 31

Hình 3.3 Dạng điện áp ba pha trên hệ tọa độ abc khi ngắn mạch ba pha chạm

Hình 3.6 Ba thuật toán điều khiển DVR 43Hình 3.7 Các dòng công suất tác dụng và phản kháng chạy trong mạch 44Hình 3.8 Nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển điện áp vượt trước 45Hình 3.9 Bộ điều khiển hồi tiếp điện áp sử dụng tín hiệu hồi tiếp điện áp trên tải 46

Hình 3.12 Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra 51Hình 3.13 Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC 52

Hình 3.14a Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với

Hình 3.15 Nguyên tắc tạo xung của thuật toán điều chế SPWM 55

Hình 3.17 Dạng điện áp đầu ra pha A mạch nghịch lưu khi sử dụng phương pháp điều chế PDSPWM

Hình 4.7 Khối biến đổi hệ trục abc sang dq0 64

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Điện năng là yếu tố quan trọng đảm bảo cho sự phát triển kinh tế của xã hội Ngày nay,các yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng cao vì:

- Việc sử dụng nhiều thiết bị điện tử công suất, các thiết bị điều khiển dựa trên

bộ vi xử lý nhạy cảm với chất lượng điện năng hơn là thiết bị điện được sử dụng trước đó Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp có mức độ độ tự động hóa cao thì bất kỳ sự nhiễu động nào trong lưới điện cũng ảnh hưởng đến cả dây chuyền công nghệ và gây ra những thiệt hại lớn

- Một số thiết bị điện đang sử dụng hiện nay là nguyên nhân ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng của hệ thống điện

- Các khách hàng sử dụng điện ngày càng hiểu rõ tầm quan trọng của chất lượng điện năng và luôn yêu cầu được cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo

- Các hệ thống điện hiện đại ngày càng phức tạp về cấu trúc Điều đó có nghĩa

là bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần tử nào trong hệ thống cũng đều có thể gây ra hậu quả lớn đối với cả hệ thống

Chất lượng điện năng bao gồm các vấn đề về chất lượng tần số,chất lượng dòng điện và chất lượng điện áp Tuy vậy khi xem xét đến vấn đề chất lượng điện năng chủ yếu người ta quan tâm đến chất lượng điện áp.Trong đó hiện tượng sụt áp ngắn hạn là một trong những nguyên nhân gây ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng điện áp bởi tần suất xảy ra thường xuyên, có khả năng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự làm việc bình thường của rất nhiều thiết bị trong hệ thống.Hiện nay các vấn

đề về sụt giảm điện áp ngắn hạn đang được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Do ảnh hưởng ngày càng lớn của sự cố sụt giảm điện áp ngắn hạn đến chất lượng điện năng của hệ thống điện nên rất nhiều công trình nghiên cứu ảnh hưởng

và các biện pháp ngăn ngừa hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn đã được thực hiện Một trong những biện pháp ngăn ngừa hiệu quả là sử dụng các thiết bị ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn dựa trên các thiết bị điện tử công suất Thực tế, ở các nước phát triển đã có khá nhiều thiết bị dạng này được ứng dụng để ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn

Luận văn tập trung nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và đánh giả hiệu quả của thiết bị DVR nhằm ngăn ngừa sự cố sụt giảm điện áp ngắn hạn trong hệ thống điện, đặc biệt là đối với lưới điện trung áp

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu các cấu trúc và thuật toán điều khiển DVR Qua việc xem xét cụ thể ưu nhược điểm của từng cấu trúc và thuật toán điều khiển, luận văn xác định cấu trúc và thuật toán điều khiển tối ưu ứng dụng mô phỏng hoạt động của DVR trên phần mềm Matlab/Simulink Qua đó đưa ra kết quả phân tích hiệu quả hoạt động của DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn trong hệ thống điện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁPNGẮN

HẠN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn

1.1.1 Khái niệm về hiện tượng sụt giảm điện áp

Tiêu chuẩn IEEE 1159 – 1995 định nghĩa sụt giảm điện áp ngắn hạn là “hiện tượng điện áp hay dòng điện giảm xuống trong khoảng từ 10% đến 90% giá trị điện

áp hay dòng điện định mức ở tần số công nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu

kỳ đến 1 phút”

1.1.2 Ảnh hưởng của sụt áp ngắn hạn

Khi xảy ra sụt giảm điện áp ngắn hạn có thể gây ra những ảnh hưởng trên diện rộng đến rất nhiều thiết bị trong hệ thống điện Đối với các thiết bị điện tử thông thường sử dụng trong sinh hoạt như máy tính, ti vi, đầu đĩa, lò vi sóng, điều hòa nhiệt độ khi sụt áp ngắn hạn xảy ra có thể gây ra nguy cơ khởi động lại thiết

bị và nếu tần suất xảy ra nhiều vấn đề này cũng ảnh hưởng không nhỏ đến tuổi thọ của thiết bị , tuy vậy trong sinh hoạt hiện tượng này chủ yếu mang lại những phiền toái và khó chịu cho người sử dụng mà ít khi gây ra những vấn đề nghiêm trọng Ảnh hưởng của sụt giảm điện áp ngắn hạn sẽ nghiêm trọng hơn rất nhiều nếu xét ở trong lĩnh vực công nghiệp Khi xảy ra sụt áp ngắn hạn có thể gây ra hiện tượng lỗi hỏng ở sản phẩm , gây hư hỏng hoặc giảm tuổi thọ của thiết bị làm thiệt hại về kinh

tế cho nhà sản xuất , hay nghiêm trọng hơn có thể gây ra việc tạm ngừng sản xuất

và việc khôi phục sản xuất có thể thiệt hại không chỉ về kinh tế mà cả thời gian của nhà sản xuất Các thiết bị nhạy cảm nhất đối với sụt giảm điện áp ngắn hạn có thể

kể đến là máy tính, các thiết bị điện tử công suất, các hệ thống điều khiển tự động,

bộ điều khiển logic khả trình ( PLC), các bộ điều tốc, các loại động cơ điện cảm ứng, động cơ điện một chiều, các cảm biến công nghiệp Quy trình công nghệp càng hiện đại, mức độ tự động hóa càng cao thì càng nhạy cảm với sụt giảm điện áp ngắn hạn Trong nhiều trường hợp, chỉ với sụt áp dưới 90% điện áp danh định xảy

ra trong thời gian vài chu kì ( vài chục mili giây) cũng có khả năng ảnh hưởng đến rất nhiều thiết bị, nặng nề nhất là tạm dừng sản xuất và phải khởi động lại cả quy trình, khi đó thời gian khôi phục sản xuất có thể tính bằng phút hoặc hàng giờ với

thiệt hại về kinh tế có thể lên đến hàng nghìn USD

1.1 3 Nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp

Hiện tượng sụt giảm điện áp thông thường được gây ra do những sự cố trên hệ thống điện Các sự cố ngắn mạch, việc khởi động các phụ tải lớn như động cơ điện không đồng bộ công suất lớn, hiện tượng quá tải, cắt một hàng tụ bù, đóng máy biến áp là các nguyên nhân chính dẫn đến sụt giảm điện áp trong hệ thống điện Trong các nguyên nhân trên thì các sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện chiếm hơn 90%

Do đó luận văn giả thiết nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp là ngắn mạch trong hệ thống điện

1.1.4 Các đặc trưng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn

Thông số đặc trưng cho điện áp sụt là độ lớn, khoảng thời gian sụt áp, sự mất cân bằng điện áp giữa các pha, sự dịch chuyển góc pha Độ lớn sụt áp tỉ lệ với trở kháng tính từ nguồn đến điểm sự cố Khoảng thời gian sụt áp quyết định bởi thời gian loại trừ sự cố, liên quan đến hoạt động của thiết bị bảo vệ là rơ le, máy cắt và mạng truyền thông tin Mức độ không đối xứng của điện áp ba pha liên quan chủ yếu với sự cố không đối xứng ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 2 pha với đất, riêng ngắn mạch 3 pha điện áp vẫn giữ tính đối xứng Độ dịch chuyển góc pha điện áp do sự khác nhau về tỉ lệ X/R giữa nguồn và nhánh cung cấp, nguyên nhân thứ hai là do sự chuyển đổi qua máy biến áp từ mức điện áp cao xuống mức điện áp thấp hơn

1.1.5 Các chỉ tiêu đánh giá sụt giảm điện áp ngắn hạn

a Chỉ tiêu SARFIx

SARFIx(System Average RMS Frequency Index voltage) là chỉ tiêu về tần suất biến thiên điện áp trung bình của hệ thống với ngưỡng điện áp x Giá trị x có thể là

90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%,10% giá trị điện áp định mức đối với hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn

SARFIix là chỉ tiêu đánh giá đối với sự cố gây ra điện áp dư dưới x% ở vị trí i với hiện tượng sụt giảm điện áp SARFI ix là chỉ tiêu đánh giá đối với sự cố gây ra điện áp trên x% ở vị trí i với hiện tượng tăng điện áp Nếu khách hàng tại nút i chỉ nhạy cảm với mức điện áp sụt dưới 70% điện áp định mức, nhóm sụt áp như vậy có thể đánh giá theo SARFI i70 Toàn bộ những chỉ tiêu đánh giá sự biến đổi giá trị hiệu dụng của điện áp được xét với ngưỡng điện áp này

b Chỉ tiêu SARFI – Curve

Chỉ tiêu SARFI-curve căn cứ vào cặp chỉ số thời gian tồn tại voltage sags và biên độ voltage sags, so sánh với các dạng đường cong chịu đựng của các thiết bị điện để đánh giá mức độ ảnh hưởng của voltage sag tới sự vận hành của chúng Nếu cặp chỉ số biên độ điện áp sụt giảm và khoảng thời gian xảy ra sụt giảm điện áp nằm ngoài đường cong chịu đựng của thiết bị điện thì sẽ gây ra ảnh hưởng đến thiết bị IEEE và một số nhóm nghiên cứu đã đưa ra mô hình đường cong chịu đựng của thiết bị ứng với từng nhóm thiết bị điện - điện tử khác nhau thông qua việc đánh giá năng lượng cung cấp cho phụ tải khi xảy ra các biến cố trong hệ thống như đường cong CBEMA, đường cong ICIT, đường cong chịu đựng điện áp của nhóm thiết bị Semi

1.1.6 Các biện pháp hạn chế hiện tượng sụt giảm điện áp

Mức độ ảnh hưởng của hiện tượng sụt giảm điện áp đến hoạt động của các thiết bị điện tuỳ thuộc vào biên độ, độ dịch chuyển góc pha , dạng sụt áp và khoảng thời gian tồn tại sụt giảm điện áp Các biện pháp giảm nhẹ sự sụt giảm điện áp có thể được thực hiện với nguồn điện, phụ tải, các công ty điện lực, các khách hàng và các nhà sản xuất thiết bị điện để giảm số lần sụt áp, giảm mức độ nghiêm trọng của điện áp sụt giảm và giảm sự nhạy cảm của thiết bị điện đối với điện áp sụt giảm

a Hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống

Hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống không những giảm tần suất sụt áp mà còn giảm tần suất mất điện Đây là cách rất hiệu quả và thường ít tốn kém để cải thiện chất lượng điện năng cung cấp Do đó, các nhà cung cấp điện cố gắng hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống xuống mức thấp nhất có thể thực hiện được Và để thực hiện được điều này thì các phương pháp có thể được áp dụng là:

- Thay thế đường dây trên không bằng đường cáp ngầm

- Sử dụng thêm các dây chống sét

- Thực hiện nghiêm túc việc phát quang lưới tuyến

- Tăng cường bảo dưỡng và tần suất kiểm tra đường dây

b Giảm thời gian loại trừ sự cố

Giảm thời gian loại trừ sự cố không làm giảm số lần sự cố xảy ra nhưng có thể làm giảm mức độ nghiêm trọng của sự cố Nó không làm giảm số lần mất điện nhưng có thể làm giảm đáng kể khoảng thời gian sụt áp Điều này làm cho mức độ cũng như ảnh hưởng của sụt áp giảm đi Một số phương pháp có thể áp dụng để làm giảm thời gian loại trừ sự cố là:

- Sử dụng các thiết bị điều khiển bảo vệ kỹ thuật số hiện đại, có thời gian tác động nhỏ cùng với việc nâng cấp các hệ thống thông tin kết nối các bộ bảo vệ với các thiết bị đóng cắt Điều này sẽ làm giảm thời gian tác động loại trừ sự cố trên hệ thống điện

- Sử dụng các thiết bị tự động đóng lặp lại (F79) trên các đường dây tải điện

Do hầu hết các sự cố xảy ra trên đường dây tải điện là sự cố thoáng qua, điện năng

có thể được khôi phục lại trong một vài chu kỳ sau khi dòng sự cố đã được ngắt ra

Vì vậy, đa số đa số các máy cắt tự động được thiết kế để đóng lặp lại hai hoặc ba lần, và việc đóng lặp lại này thường là thành công trong lần thực hiện đầu tiên

- Sử dụng cầu chì giới hạn dòng điện Cầu chì là phần tử bảo vệ cơ bản nhất trên hệ thống Nó thường được sử dụng trong các thiết bị điện có dòng sự cố rất lớn (2000A đến 3000A) và các sự cố bên trong thiết bị đó có thể dẫn đến một hậu quả rất nghiêm trọng

c Thay đối kết cấu lưới

Bằng cách thay đổi kết cấu lưới, mức độ nghiêm trọng của sự cố được giảm bớt, điều này dẫn đến mức độ sụt giảm điện áp cũng giảm theo Nhược điểm của phương pháp này là giá thành thực hiện rất tốn kém Để thực hiện thay đổi kết cấu của lưới thì một số phương pháp được sử dụng là:

- Đặt một máy phát điện gần phụ tải nhay cảm Máy phát sẽ duy trì điện áp tại đầu cực các thiết bị điện do hiện tượng sụt áp từ rất xa Máy phát điện làm giảm nhẹđiện áp sụt giảm nhưng cũng góp phần làm tăng dòng sự cố

- Phân đoạn các thanh cái tại các trạm biến áp ở phía nguồn cung cấp để giớihạn số nhánh cung cấp bị đặt vào vùng nguy hiểm

- Cài đặt cuộn kháng giới hạn dòng điện tại một số vị trí quan trọng trong hệ thống điện để làm tăng “khoảng cách về điện” với chỗ sự cố Điều trở ngại của phương pháp này là nó có thể gây ra ảnh hưởng xấu cho các khách hàng khác

- Cấp điện cho nút tải nhậy từ hai hay nhiều trạm biến áp Sụt giảm điện áp với một trạm có thể được giảm nhẹ bởi sự cung cấp điện từ các trạm biến áp khác Càng nhiều trạm biến áp có nguồn độc lập, hiệu quả giảm nhẹ sụt áp càng tăng Hiệu quả giảm nhẹ sụt áp tốt nhất là nút tải được cung cấp từ hai trạm trung gian khác nhau

Sự tăng cường nhánh cung cấp thứ hai sẽ làm tăng con số sụt giảm điện áp nhưng lại làm giảm mức độ nghiêm trọng của chúng

- Lựa chọn cấu trúc lưới phân phối làm tăng độ tin cậy cung cấp điện

d Cải thiện khả năng chịu đựng sụt áp của các thiết bị

Cải thiện khả năng chịu đựng sụt áp của thiết bị là phương pháp hiệu quả nhất ngăn ngừa ảnh hưởng của sụt giảm điện áp Ngoài việc cải thiện khả năng chịu đựng sụt giảm điện áp với các thiết bị điện lớn, sự xem xét kỹ về khả năng chịu đựng sụt áp với toàn bộ contactor, rơle, cảm biến, có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu đựng hiện tượng sụt áp của các quá trình sản xuất

e Sử dụng các thiết bị giúp ngăn chặn sụt giảm điện áp ngắn hạn

Để ngăn chặn hiện tượng sụt giảm điện áp ta có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau Các phương pháp này có thể được thực hiện ở cấp nguồn điện, các thiết bị điện và ở tại cấp người sử dụng Đây là một giải pháp phổ biến mà khách hàng thường sử dụng do các thiết bị sử dụng được đặt ở những nơi mà khách hàng

có thể kiểm soát được mọi tình huống về điện áp

Một vài thiết bị kinh điển đã được sử dụng như:máy biến áp cộng hưởng sắt từ (CVTs), bộ tổng hợp từ tính (Magnetic synthesizers), máy biến áp với bộ điều chỉnh điện áp, hợp bộ máy phát – động cơ (Motor - Generator sets), nguồn cung cấp không bị gián đoạn (UPS); nhược điểm của các thiết bị này là dải công suất thấp, tính linh hoạt kém, tiếng ồn lớn ( như hợp bộ máy phát - động cơ) hoặc giá thành quá cao nhưng hiệu quả mang lại thấp ( như UPS) nên ứng dụng ngày một hạn chế

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đặc biệt là công nghệ bán dẫn, các thiết bị dựa trên nền tảng các thiết bị điện tử công suất ngày càng được sử dụngrộng rãi trong hệ thống điệnvới rất nhiều ưu điểm như dải công suất và điện áp làm việc lớn; tính linh hoạt, hiệu quả cao, giá thành hạ và một mảng ứng dụng quan trọng trong đó lànâng cao chất lượng điện năng Đối với vấn đề ngăn ngừa sụt giảm điện

áp ngắn hạn, ba thiết bị được sử dụng nhiều nhất là:

¾ Khóa chuyển đổi tĩnh (Static Transfer Switch)

Khóa chuyển đổi tĩnh có thể bảo vệ tải nhạy cảm khỏi sụt áp ngắn hạn, tăng áp

và nhiều hiện tượng rối loạn điện áp khác Nguyên tắc hoạt động của thiết bị này là chuyển đổi nguồn cung cấp cho phụ tải từ nguồn bị sụt giảm điện áp sang nguồn cung cấp khác tốt hơn Cấu trúc cơ bản của STS gồm hai bộ chuyển mạch ba pha, một nguồn cấp chính và một nguồn dự phòng như trên hình 1.1

Ưu điểm của STS là kích thước nhỏ, điều khiển dễ dàng, không cần nguồn lưu trữ do đó giá thành rẻ; nếu nguồn dự phòng tốt STS có thể đảm bảo chất lượng điện

áp lý tưởng cho tải Tuy vậy STS không thể bảo vệ cho tải trước những sự cố mang tính hệ thống ảnh hưởng đến cả nguồn cấp chính và nguồn dự phòng, đống thời việc yêu cầu phải có hai nguồn cấp không phải lúc nào cũng khả thi trong thực tế

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của STS

¾ Thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator-DSTATCOM)

DSTATCOM là thiết bị bù tĩnh dựa trên bộ nghịch lưu nối song song vào hệ thống Thiết bị này kiểm soát điện áp điểm nối bằng cách bù một dòng điện có điều khiển vào điểm nối thông qua máy biến áp ghép Cấu tạo của DSTATCOM bao gồm bốn bộ phận chính: phận cấp năng lượng, bộ nghịch lưu, bộ lọc và máy biến áp

ghép nối song song vào lưới như trên hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc một pha của DSTATCOM

DSTATCOM có khả năng phản ứng nhanh và hiệu quả hoạt động cao nhưng điều khiển khá phức tạp

¾ Thiết bị khôi phục điện áp động (Dynamic voltage restorer-DVR)

DVR là thiết bị chuyển mạch điện tử công suất nối nối tiếp với hệ thống, bao gồm bốn bộ phận chính đó là bộ phận cấp năng lượng, thiết bị nghịch lưu, bộ lọc và máy biến áp ghép như trên hình 1.3

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của DVR

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của thiết bị này đó là khi xảy ra sụt áp trên lưới, DVR sẽ thêm một lượng điện áp được điều khiển bởi nghịch lưu qua máy biến áp ghép vào nút tải để khôi phục lại điện áp trên tải.Do được ghép nối tiếp vào hệ thống nên điện áp trên tải sẽ bằng tổng điện áp cung cấp từ nguồn và điện áp DVR thêm vào Trong điều kiện bình thường DVR không hoạt động hoặc chỉ bơm một lượng điện áp rất nhỏ để bù điện áp rơi trên các bộ phận

Ưu điểm của DVR là khả năng phản ứng nhanh, thuật toán điều khiển tương đối đơn giản, hiệu quả hoạt động cao, thích hợp với nhiều dạng tải và điều kiện lưới

điện khác nhau

1.2 Kết luận

Sụt giảm điện áp ngắn hạn là một trong những vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng trong hệ thống điện Ngày nay vấn đề ngăn ngừa ảnh hưởng của sụt giảm điện áp ngắn hạn càng trở nên quan trọng, đặc biệt là trong công nghiệp do sử dụng nhiều các thiết bị điện tử công suất, máy vi tính, các quy trình sản xuất tự động hóa cao

Trong các giải pháp ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn, giải pháp sử dụng thiết bị DVR là một trong những giải pháp hiệu quả nhất bởi thiết bị này có khả năng khôi phục điện áp trên tải đến giá trị mong muốn với thuật toán điều khiển tương đối đơn giản,dải hoạt động rộng,điện áp từ vài trăm Volt đến hàng chục kilo Volt, công suất đến hàng chục MVA, thích ứng với nhiều loại tải khác nhau, khả năng hoạt động ổn định và tin cậy, hiệu suất cao

Mục tiêu chính của luận văn là đi sâu nghiên cứu, phân tích và mô phỏng hiệu quả hoạt động của DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới điện trung

áp Luận văn được bố cục thành bốn chương như sau:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn và các phương pháp để ngăn chặn hiện tượng này

Chương 2: Nghiên cứu các cấu trúc của DVR , chế độ hoạt động của DVR trong các trường hợp khác nhau

Chương 3 : Nghiên cứu các phương pháp để phát hiện, tính toán sụt áp; các thuật toán điều khiển DVR và phương thức điều khiển mạch nghịch lưu của DVR Chương 4: Trên cơ sở các nội dung lý thuyết đã nghiên cứu, DVR sẽ được mô phỏng trong Matlab/Simulink để đánh giá hiệu quả hoạt động của DVR trong việc ngăn ngừa các sự cố sụt giảm điện áp ngắn hạn

CHƯƠNG 2 : CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR

2.1 Cấu trúc chung của DVR

DVR là thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để chống sụt áp ngắn hạn ở cấp điện áp hạ áp và trung áp trong hệ thống điện Tùy từng cấp điện áp, công suất yêu cầu, mức độ sụt áp thường xuyên xảy ra, loại tải cần bảo vệ mà DVR có nhiều cấu trúc khác nhau.Tuy vậy các DVR đều bao gồm bốn phần tử chính sau: Bộ phận cấp năng lượng, mạch nghịch lưu, mạch lọc và máy biến áp ghép như trên hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc của DVR

2.2 Bộ phận cấp năng lượng

Chức năng của bộ phận này là cung cấp năng lượng cần thiết để DVR bù điện áp thiếu hụt trên tải trong quá trình xảy ra sụt áp Đây là bộ phận quyết định khả năng làm việc, chất lượng điện áp bù bởi DVR Tùy theo chất lượng lưới điện, loại tải , mức độ nghiêm trọng của sụt áp mà người ta lựa chọn cấu hình bộ phận năng lượng phù hợp từ các cấu trúc dưới đây:

2.2.1 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung

Cấu hình này được sử dụng bởi ngay cả khi đang sụt áp vẫn còn một phần điện áp đáng kể được cung cấp bởi nguồn Khi DVR được nối với một lưới điện mạnh thì lượng năng lượng cần thiết có thể được lấy bằng cách tăng dòng cung cấp bằng một bộ chỉnh lưu song song và bù vào lượng điện áp thiếu hụt ở tải bằng một

bộ nghịch lưu nối tiếp Khi đó có hai cấu hình sau được sử dụng tùy theo vị trí của

bộ chỉnh lưu:

a Bộ chỉnh lưu nối với phía nguồn cấp ( Suppy side)

Cấu trúc này được thể hiện trong hình 2.2 Với cấu trúc này không thể điều chỉnh được điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu Bộ chỉnh lưu nạp điện

cho tụ điện theo trạng thái thực tế của nguồn cấp Khi đó điện áp một chiều bằng giá trị điện áp pha cực đại của nguồn Khi xảy ra sụt áp giá trị này được tính:

(2.1) Trong đó: là giá trị điện áp một chiều trên tụ

là giá trị điện áp cung cấp bởi nguồn

là điện áp của điểm đấu phụ tải khi xảy ra sụt áp

Hình 2.2: DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung và chỉnh lưu nối với phía

nguồn

Lượng công suất tác dụng tải nhận được sẽ không đổi trước và trong khi xảy

ra sụt áp Khi có lượng công suất và dòng điện qua bộ chỉnh lưu và nghịch lưu có thể tính bằng :

(2.2) (2.3)

(2.4) Với và là công suất chạy qua bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu

là điện áp định mức của nguồn

là dòng điện định mức của tải

Ở cấu hình này công suất cung cấp bởi DVR tỉ lệ với lượng điện áp thiếu hụt

và với các sụt áp nghiêm trọng dòng chạy qua chỉnh lưu và nghịch lưu sẽ tăng lên đáng kể Có thể lấy ví dụ với sự sụt áp tới 70% điện áp định mức khi đó dòng điện qua bộ chỉnh lưu I shunt tăng lên đến 233% dòng điện tải và dòng qua bộ nghịch lưu luôn bằng 100% dòng điện tải

b Bộ chỉnh lưu nối về phía tải (Load side )

Ở cấu hình này điện áp bù vào tải được điều khiển theo giới hạn công suất của máy biến áp ghép Điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu có thể giữ không đổi khi điện áp tải được bù đầy đủ đến giá trị định mức Khi đó ta có:

(2.5) Công suất và dòng điện qua bộ chỉnh lưu và nghịch lưu trong khi xảy ra sụt

áp được tính như sau:

(2.6)

(2.7)

(2.8) Trong đó là công suất định mức của tải

Cấu hình này được thể hiện trong hình 2.3 dưới đây:

Hình 2.3: DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung và chỉnh lưu nối với phía

a Nguồn bổ sung một chiều thay đổi (Variable DC link )

Sơ đồ nguyên lý của nguồn này được thể hiện trên hình 2.4:

Hình 2.4 DVR với nguồn bổ sung một chiều thay đổi

Đây là cấu hình đơn giản được sử dụng để chống các sụt áp trong thời gian ngắn.Hiệu quả của cấu hình loại này giảm đi đối với các dạng sụt áp có thời gian dài bởi năng lượng của nguồn suy giảm dần theo thời gian Khi quá trình sụt áp kết thúc, năng lượng trên tụ được nạp lại nhờ biến đổi dòng điện từ lưới (thông qua bộ nghịch lưu) hoặc sử dụng bộ nạp Với cấu hình này năng lượng lưu trữ bởi nguồn bổ sung E tỉ lệ với bình phương điện áp trên tụ, :

(2.9)

b Nguồn bổ sung một chiều không đổi (Constant DC-link)

Ở cấu hình này, một bộ biến đổi được dùng để biến đổi điện áp từ một bộ tích năng lượng có công suất lớn thành điện áp một chiều để điều khiển và kiểm soát mức độ ổn định của điện áp cung cấp cho bộ nghịch lưu Nếu điện áp một chiều được giữ không đổi thì công suất cung cấp bởi bộ nghịch lưu xác định theo biểu thức:

(2.10)

(2.11)

Hình 2.5 DVR với nguồn bổ sung một chiều không đổi

Cấu hình này tận dụng tối đa khả năng của bộ phận cấp năng lượng, mang lại hiệu suất cao nhất, khả năng bù sụt áp và chất lượng điện áp đầu ra cũng rất tốt

Do công nghệ ngày càng phát triển, dung lượng của các thiết bị lưu trữ ngày càng lớn và giá thành cũng giảm nên cấu hình này hiện đang được sử dụng rộng rãi

2.2.3 So sánh cấu hình bộ phận cấp năng lượng của DVR

Dựa trên đặc điểm của các bộ phận cấp năng lượng được nêu trên, ta thấy cấu hình không sử dụng nguồn cấp bổ sung chỉ phù hợp với trường hợp giảm sụt áp tại phụ tải có biên độ sụt áp không lớn hoặc trong thời gian dài Với các trường hợp sụt áp trong khoảng thời gian ngắn và biên độ sụt áp lớn, thì cấu hình sử dụng nguồn cấp bổ sung hoạt động tốt hơn Tổng hợp các ưu nhược điểm của bốn loại cấu hình bộ phận cấp năng lượng cho DVR được thể hiện trong Bảng 2.1

Sử dụng nguồn bổ sung

Không dùng nguồn bổ sung

Constant

DC link

Variable

DC link

Supply side Load side

Điều khiển điện áp một chiều của

kho năng lượng

++ - +

Công suất bộ nạp/ chỉnh lưu + -

Sự phức tạp trong điều khiển - - ++ +

Bảng 2.1 So sánh các cấu hìnhbộ phận cấp năng lượng của DVR ( + tốt, ++ rất

tốt, - không tốt, kém )

Nhìn chung, cấu hình không dùng nguồn cấp bổ sung và sử dụng chỉnh lưu nối phía tải mang lại hiệu quả cao nhất với giá thành thấp, đơn giản trong điều khiển

và khả năng ngăn ngừa sụt áp trong thời gian dài Nhược điểm của cấu hình này là yêu cầu công suất của bộ nghịch lưu lớn và khi bù sụt áp có thể gây ảnh hưởng đến lưới Cấu hình nguồn bổ sung một chiều không đổi thì có khả năng bù được các sụt

áp có biên độ lớn nhất và đem lại một chất lượng điện năng tốt nhất cho tải

Cấu hình nguồn cấp bổ sung một chiều thay đổi có khả năng bù các sụt áp với biên độ và thời gian rất hạn chế, tuy vậy sự đơn giản của cấu hình này và yêu cầu công suất cho bộ nghịch lưu cũng như bộ nạp thấp nhất nên trong một số trường hợp các hạn chế này có thể chấp nhận được Cấu hình không dùng nguồn cấp bổ sung và sử dụng chỉnh lưu nối phía nguồn mang lại hiệu quả thấp nhất và chỉ có thể

áp dụng trong một số rất ít các trường hợp

2.3 Mạch nghịch lưu

Chức năng chủ yếu của mạch nghịch lưu là khi xảy ra sụt áp, mạch nghịch lưu sẽ biến đổi thành phần điện áp một chiều cung cấp bởi bộ phận cấp năng lượng thành điện áp xoay chiều hình sin với tần số, biên độ và góc pha thích hợp để bù vào điện áp thiếu hụt từ nguồn đảm bảo hoạt động bình thường của tải Có thể sử dụng nghịch lưu nguồn dòng hoặc nghịch lưu nguồn áp làm mạch nghịch lưu của DVR Các DVR hiện nay chủ yếu sử dụng nghịch lưu nguồn áp vì:

- Nhiệm vụ của DVR là phục hồi điện áp nên yêu cầu mạch nghịch lưu có khả năng điều chỉnh linh hoạt điện áp đầu ra

- Nguồn áp là nguồn được sử dụng phổ biến hơn trong thực tế

- Nghịch lưu áp có thể sử dụng nhiều phương pháp để điều chỉnh linh hoạt tần số, biên độ, góc pha của điện áp ra cũng như giảm thiểu sóng hài tác động vào

hệ thống

- Mạch nghịch lưu áp sử dụng van động lực điều khiển hoàn toàn Ngày nay các van động lực điều khiển hoàn toàn có công suất lớn, kích thước gọn nhẹ nên nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng nhất và được chuẩn hóa trong các

bộ biến tần công nghiệp

Do đó, trong khuôn khổ luận vănmạch nghịch lưu được lựa chọn sử dụng trong DVR là mạch nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Inverter -VSI)

Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều với tần số tùy ý Đầu vào nghịch lưu áp là nguồn áp một chiều có trở kháng rất nhỏ nên điện áp không chịu ảnh hưởng của biến thiên dòng điện qua nó, còn dòng điện chạy qua nghịch lưu áp thì phụ thuộc vào tải phía xoay chiều

Nghịch lưu nguồn áp sử dụng chuyển mạch là các van điều khiển hoàn toàn

có thể là thyristor khóa bằng cực điều khiển GTO ( Gate turn-off Thyristor), transistor lưỡng cực cổng cách ly IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) hoặc MOSFET công suất Với mỗi loại thiết bị có phạm vi ứng dụng và ưu nhược điểm riêng GTO có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn nên có thể hoạt động ở mức công suất rất lớn tuy vậy nhưng chỉ có khả năng chuyển mạch với tần số thấp MOSFET công suất thì ngược lại có khả năng chuyển mạch với tần số rất cao ( cỡ MHz) nhưng khả năng chịu được mức điện áp thấp (khoảng vài trăm vol) nên chỉ

sử dụng được ở dải điện áp và công suất nhỏ IGBT là thiết bị nằm ở giữa giới hạn hoạt động của hai thiết bị trên, IGBT có công suất hoạt động nhỏ hơn GTO nhưng lớn hơn MOSFET còn tần số chuyển mạch thì ngược lại nhỏ hơn MOSFET nhưng lớn hơn GTO Đối với công nghệ ngày nay đã chế tạo được IGBT có thể chịu được mức điện áp đến hàng kV, dòng điện cho phép đến vài kA, tần số chuyển mạch có thể đạt tới 100 kHz; với ưu điểm điều khiển dễ dàng, mạch bảo vệ cũng đơn giản hơn nhiều so với GTO và MOSFET nên IGBT có ưu thế lớn để sử dụng trong mạch nghịch lưu áp của DVR với cấp điện áp hạ áp cũng như trung áp, công suất đến vài chục MVA

Đối với mạch DVR ba pha các cấu trúc VSI thường sử dụng có thể là nghịch lưu hai mức và mạch nghịch lưu đa mức như trên hình 2.6 và hình 2.7 là cấu trúc của hai VSI điển hình

Hình 2.6 Cấu trúc của VSI nửa cầu ba pha (hai mức )

Hình 2.7 Cấu trúc nghịch lưu nửa cầu ba pha ba mức sử dụng diode kẹp

Cấu trúc của mạch nghịch lưu thông thường được lựa chọn theo tương quan

về điện áp, công suất của tải so với điện áp và công suất của các van bán dẫn So với cấu trúc nghịch lưu hai mức sử dụng nghịch lưu đa mức giúp nâng cao dải công suất và điện áp có thể làm việc của VSI, tổn hao chuyển mạch giảm, đồng thời điện

áp đầu ra của nghịch lưu đa mức gần hình sin hơn nên giảm kích thước của bộ lọc

2.4 Bộ lọc

Một bộ lọc thông thấp được sử dụng để đưa điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu thành dạng hình sin và lọc bỏ các sóng hài không mong muốn phát sinh từ việc biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều Bộ lọc có thể được đặt ở phía điện áp cao ( phía tải ) hoặc phía điện áp thấp ( phía mạch nghịch lưu ) Khi đặt bộ lọc ở phía mạch nghịch lưu thì bộ lọc sẽ lọc bỏ các sóng hài bậc và ngăn không cho chúng đi vào máy biến áp nên giảm áp lực hoạt động cho máy biến áp hơn so với trường hợp đặt bộ lọc phía tải; nhưng đặt bộ lọc phía mạch nghịch lưu sẽ làm dịch pha và tạo ra điện áp rơi của đầu ra mạch nghịch lưu Tuy có những nhược điểm trên nhưng việc đặt bộ lọc phía mạch nghịch lưu vẫn được sử dụng nhiều hơn bởi nó tận dụng tối đa khả năng làm việc của máy biến áp ghép đồng thời bộ lọc đặt ở đây cũng phải chịu điện áp thấp hơn nên có lợi hơn về mặt kinh tế

Đặc tính của bộ lọc thông thấp là chỉ cho các thành phần có tần số nhỏ hơn tần số cắt đi qua nên vấn đề lựa chọn tần số cắt thích hợp là vấn đề rất quan trọng bởi đây là yếu tố chính quyết định hiệu quả của bộ lọc Tần số này được chọn phải lớn hơn tần số của hệ thống (50Hz) và nhỏ hơn tần số chuyển mạch của các khóa Đối với DVR bộ lọc thông thấp LC được sử dụng rộng rãi nhất làm mạch lọc

Hình 2.8 Cấu trúc một pha của mạch lọc thông thấp LC

Khi đó tần số cắt của mạch lọc được tính theo công thức sau:

1

(2.12)2

2.6.2 Chế độ hoạt động

Khi phát hiện có sụt áp xảy ra trên lưới, DVR sẽ cấp một điện áp bù lượng điện áp thiếu hụt nhằm đảm bảo hoạt động của tải Dạng sụt áp, điều kiện của tải, giới hạn cung cấp năng lượng của DVR là những yếu tố quyết định khả năng làm việc của DVR ở chế độ này

2.6.3 Chế độ dừng hoạt động ( Bypass mode)

Do DVR được nối nối tiếp với mạch điện, dòng điện chạy qua các mạch nghịch lưu luôn tỉ lệ với dòng điện tải nên khi xảy ra sự cố ngắn mạch phía tải, dòng

sự cố lớn có thể truyền vào phía mạch nghịch lưu gây hỏng hóc các thiết bị điện tử công suất vốn rất nhạy cảm, bởi vậy DVR được thêm vào các khóa chuyển mạch S1, S2, S3 như trên hình 2.9 Khi xảy ra hiện tượng ngắn mạch phía tải khóa chuyển

mạch S2 và S3 mở ra đồng thời đóng khóa S1, cách ly hoàn toàn DVR ra khỏi lưới Chế độ này bảo vệ an toàn các linh kiện của DVR và ngăn chặn các tác động xấu do DVR đến lưới

Mạch nghịch lưu sử dụng trong DVR chủ yếu là mạch nghịch lưu nguồn áp hai mức hoặc đa mức So với cấu trúc nghịch lưu hai mức, bộ nghịch lưu đa mức phức tạp hơn nhưng mở rộng được giới hạn làm việc của DVR, dạng điện áp đầu ra

ổn định hơn, điều khiển cũng không quá phức tạp

Mạch lọc của DVR được sử dụng để lọc bỏ các sóng hài bậc cao gây ra bởi

sự biến đổi điện áp, dạng thông dụng nhất là mạch lọc LC đặt ở phía hạ áp của máy biến áp ghép Thành phần cuối cùng là máy biến áp ghép với công suất được chọn theo công suất của tải, tổ đấu dây thì được chọn theo tổ đấu dây của máy biến áp cung cấp điện năng cho tải

CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DVR 3.1 Các phương pháp phát hiện và tính toán sụt áp ngắn hạn

Hiệu quả hoạt động của DVR phụ thuộc nhiều vào việc xác định nhanh và chính xác thời điểm bắt đầu, kết thúc sụt áp, mức độ dịch chuyển góc pha và mức

độ sụt áp Một số phương pháp phát hiện sụt áp thường được sử dụng hiện nay là:

3.1.1 Phương pháp tính toán biên độ điện áp

Phương pháp này tính toán biên độ điện áp trên từng pha mỗi nữa chu kỳ (bắt đầu từ điểm gốc 0) để xác định lượng điện áp thiếu hụt.Bên cạnh đó, giá trị góc pha điện áp hoàn toàn ước lượng được bằng cách theo dõi dạng sóng điện áp đi qua điểm 0

Nhược điểm của phương pháp này là độ trễ lớn với hệ thống có tần số 50Hz Thông thường, hiện tượng sụt áp được phát hiện ra sau 10ms

3.1.2 Phương pháp biến đổi Fourier

Áp dụng biến đổi Fourier đối với từng pha, người ta xác định được biên độ

và pha của mỗi thành phần tần số trong của điện áp nguồn Ngoài các thông tin về biên độ và pha của thành phần tần số cơ bản (50Hz), các thông tin về biên độ và pha của các thành phần sóng hài bậc 3, 5, 7 cũng dễ dàng xác định được

Ưu điểm của phương pháp này là biết được đầy đủ thông tin về điện áp tải,dễ dàng áp dụng vào hệ thống điều khiển thời gian thực Tuy nhiên, do khối lượng tính toán lớn nên hiện tượng sụt áp cũng chỉ có thể phát hiện được sau 10ms

3.1.3 Phương pháp xác định giá trị đỉnh của điện áp

Nguyên lý đơn giản của phương pháp này đó là: giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của bất ký dạng sóng hình sin nào là điểm có gradient bằng 0 Khi đó chỉ cần xác định giá trị biên độ điện áp ở điểm có gradient bằng 0 và so sánh với một giá trị

tham chiếu đặt trước Nếu sai lệch giữa hai giá trị này lớn hơn một giá trị định trước thì DVR sẽ bắt đầu hoạt động

Phương pháp này có ưu điểm là tính toán đơn giản, cần ít bộ nhớ,thời gian phát hiện sụt áp nhanh hơn so với hai phương pháp trên nhưng thời gian trễ vẫn là khá lớn, độ chính xác sẽ bị ảnh hưởng nhiều khi có các xung nhiễu và không tính toán được độ dịch chuyển góc pha của điện áp

3.1.4 Phương phápbiến đổi Clark và Park

Các phương pháp phát hiện và tính toán sụt áp kinh điển nêu trên có nhược điểm chung đó là tồn tại thời gian trễ lớn nên ảnh hưởng đến khả năng tác động nhanh của DVR

Ngày nay, với sự phát triển các phương pháp điều khiển số, người ta thường dùng phương pháp biến đổi Clark và Park nhằm phát hiện, tính toán mức độ sụt giảm điện áp để điều khiển nhanh DVR với độ chính xác cao Nguyên lý củaphương pháp này là điện áp ba pha được biến đổi sang một số hệ tọa độ khác để đơn giản hóa việc điều khiển và nâng cao hiệu suất Các hệ tọa độ được sử dụng là:

Hệ tọa độ cố định:

-Hệ thống ba pha (ABC)

-Hệ thống không gian Vector (αβ)

Hệ tọa độ quay :

-Hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ dq0

Trong hệ tọa độ ba pha ABC, điện áp và dòng điện bao gồm ba thành phần hình sin biến đổi theo thời gian Đầu tiên một phép biến đổi tọa độ từ hệ thống ba pha ABC đến một hệ không gian vector (αβ)sẽ giúp đơn giản hóa việc việc xem xét các đại lượng này; phép biến đổinày được gọi là phép biến đổi Clark và có dạng:

u u

u u

u

α β

Hình 3.1 Phép biến đổi Clark

Phép biến đổi Clark giúp giảm số biến đầu vào nhưng các đại lượng điện áp

và dòng điện trong hệ tọa độ αβ vẫn là các đại lượng hình sin biến đổi theo thời gian Do đó, người ta sử dụng thêm phép biến đổi Park chuyển các đại lượng này từ