Tính toán, thiết kế bộ bù áp nhanh cho mạng điện trung áp

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI TRN VN V TNH TON, THIT K B B P NHANH CHO MNG IN TRUNG P LUN VN THC S K THUT CHUYấN NGNH: K THUT IN Ngi hng dn khoa hc: PGS.TS NGUYN VN LIN H Ni - 2014 MC LC LI CAM OAN .4 DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT DANH MC CC BNG BIU .7 DANH MC CC HèNH V, TH .8 M U 10 CHNG : CC VN LIấN QUAN N CHT LNG IN NNG 11 1.1 Cỏc liờn quan n cht lng in nng 11 1.1.1.Lừm in ỏp 13 1.1.2 Mt in tm thi 14 1.1.3 Vn súng hi 14 1.2 Cỏc nh ngha v tiờu chun liờn quan n hin tng lừm in ỏp 15 1.3 Phõn loi lừm in ỏp 17 1.3.1 Lừm in ỏp mt pha 17 1.3.2.Lừm in ỏp pha vi pha 17 1.3.3 Lừm in ỏp ba pha .18 1.3 Nguyờn nhõn v hu qu ca hin tng lừm in ỏp gõy 18 1.4 Xu hng mi cht lng in nng 19 1.5 Cỏc gii phỏp cho vic nõng cao cht lng in nng .20 1.5.1.S dng b cp ngun in liờn tc UPS 22 1.5.2 S dng b bự ỏp nhanh DVR .22 1.5.3 S dng b khúa chuyn i tnh -SSTS 23 1.6 Kt lun 26 CHNG : THIT K CU TRC CA B B P NHANH DVR .27 2.1 Cu hỡnh c bn ca b DVR 27 2.1.1 Khi lu tr in nng 28 2.3.2 Nghch lu ngun ỏp (VSI) 32 2.3.3 B lc súng hi 35 2.3.4 Khúa chuyn mch dn vũng 36 2.3.5.Mỏy bin ỏp bự .36 2.3.6 H thng bo v v mch np DC .40 2.3 V trớ ca b DVR h thng in .40 2.3.1.V trớ ca b DVR mng in trung ỏp .41 2.3.2.V trớ ca b DVR mng in h ỏp 42 2.4 Cu hỡnh mch lc ca b DVR 43 2.5 Mch tng ng ca b bự ỏp nhanh DVR 44 2.6 Nguyờn lý hot ng ca b DVR 45 2.6.1 Ch bự in ỏp (VDVR>0) .45 2.6.2.Trong ch d phũng (VDVR=0) 45 2.6.3.Ch bo v cú s c 45 2.7 Kt lun 46 CHNG : THIT K CU TRC IU KHIN CHO B B P NHANH DVR 47 3.1 Cỏc chin thut bự ỏp dng cho b bự ỏp DVR 47 3.1.1 Bự trc lừm 50 3.1.2 Bự ng pha 52 3.1.3.Phng phỏp ti u húa nng lng 53 3.1.4 Bự kt hp 53 3.2 Cỏc chin lc iu khin b nghch lu Inverter 54 3.2.1 iu khin tuyn tớnh 55 3.2.2 iu khin phi tuyn 56 3.3 Cỏc phng phỏp phỏt hin lừm in ỏp 57 3.3.1 Phng phỏp giỏ tr nh .57 3.3.2 Phng phỏp giỏ tr hiu dng (rms) 58 3.3.3 Bin i Fourier (FT) 58 3.3.4 Phng phỏp vecto khụng gian 58 3.4 Thit k mch iu khin cho b DVR .60 3.4.1 Yờu cu v chc nng iu khin 60 3.4.2 Thut toỏn iu khin 60 3.5 Tớnh toỏn v thit lp cỏc giỏ tr ca b DVR 63 3.5.1 Tớnh toỏn cỏc giỏ tr ca b bự ỏp nhanh DVR 63 3.5.2.Thit lp mụ hỡnh mụ phng Matlab/Simulink 67 3.6 Mụ phng, ỏnh giỏ v tho lun 69 3.6.1 Tin hnh mụ phng trờn Matlab/Simulink 69 3.6.2 ỏnh giỏ v tho lun 76 HNG PHT TRIN TI 77 TI LIU THAM KHO 78 LI CAM OAN Tụi xin cam oan bn lun cao hc: Tớnh toỏn, thit k b bự ỏp nhanh cho mng in trung ỏp - DVR tụi t thit k di s hng dn ca thy giỏo PGS.TS Nguyn Vn Lin Cỏc s liu v kt qu thu c l hon ton trung thc, phự hp vi thc nghim m tụi ó tin hnh hon thnh bn lun ny tụi ch s dng nhng ti liu c ghi danh mc ti liu tham kho v khụng chộp hay s dng bt k ti liu no khỏc Nu phỏt hin cú s chộp tụi xin chu hon ton trỏch nhim H Ni, ngy 16 thỏng 03 nm 2014 Tỏc gi Trn Vn V DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT ANN Artificial neural network iu khin mng Noron APF Active Power Filter B lc cụng sut tỏc dng Batery Energy Storage H thng lu tr in nng cc b System bng Acquy BESS D-STATCOM DVR Distribution Static B bự ng b tnh Compensator Dynamic Voltage Restorer Computer and Business CBEMA B bự ỏp nhanh Hip hi nhng nh sn xut v kinh Equipment Manufacture doanh mỏy tớnh Association Flexible AC Transmission H thng truyn ti ngun xoay System chiu linh hot FFT Fast Fourier Transform Phộp bin i Furier nhanh GTO Gate Turn Off Thyristor Thyrixto ct (chuyn t úng sang) PCC Point of Common Coupling im ni chung PFC Power Factor Controller b iu khin h s cụng sut PQ Power Quality Cht lng in nng PLL Phase Locked Loop Vũng khúa pha PWM Pulse Width Modulation Phng phỏp iu ch rng xung VSI Voltage Source Inverter B nghch lu ngun ỏp THD Total Harmonic Distortion mộo súng hi FACTS IGBT Integrated Gate Bipolar Tranzito lng cc cng tớch hp Transistor UPS Uninterruptible Power Supply B cp ngun liờn tc SMES Super conducting Manegtic H thng lu tr nng lng siờu t Energy System SSTS IEEE IEC SVPWM tớnh Static Switch Transfer B khúa chuyn i tnh System Institute Of Electrical and Electronics Engineers International Electrotechnical Commission Space Vector Pulse Width Modulation Vin k s in v in t y ban quc t v k thut in iu khin vecto khụng gian PWM VL Voltage Load in ỏp ti Vs Voltage Supply in ỏp cung cp PL Active Power Load Cụng sut tỏc dng ca ti QL Reactive Load Cụng sut phn khỏng ca ti PDVR Active Power of DVR Cụng sut tỏc dng ca b DVR QDVR Reactive DVR Cụng sut phn khỏng ca b DVR VDVR Voltage DVR in ỏp bự vo bi b DVR Vsag Voltage Sag in ỏp quỏ trỡnh lừm in ỏp Vpre-sag Voltage Pre- sag in ỏp trc lừm DANH MC CC BNG BIU Bng 1.1 Cỏc v cht lng in nng v nh hng ca nú 13 Bng 1.2 So sỏnh gii phỏp bo v ti nhy cm t dao ng in ỏp 23 Bng 2.1 Bng so sỏnh cỏc thit b s dng lu tr in nng 29 Bng 3.1 Cỏc thụng s mụ phng ca b DVR 66 DANH MC CC HèNH V, TH Hỡnh 1.1 S h thng truyn ti, phõn phi in nng Hỡnh 1.2.Tiờu chun 1159-1995 ca IEEE v gim in ỏp Hỡnh 1.3 ng cong CBEMA Hỡnh 1.4 ng cong ITIC Hỡnh 1.5 Cu trỳc c bn ca b UPS vi lu tr in nng Hỡnh 1.6 Cu hỡnh c bn b DVR vi thit b lu tr nng lng Hỡnh 1.7 B khúa chuyn mch tnh (SSTS) gia ngun cung cp Hỡnh 1.8 S ca b bự ỏp nhanh DVR Hỡnh 2.1 Cỏc thnh phn c bn ca b DVR Hỡnh 2.2 B DVR vi b lu tr nng lng cú in ỏp DC hng s Hỡnh 2.3 B DVR vi b lu tr nng lng cú in ỏp DC bin i Hỡnh 2.4 B DVR khụng cú b lu tr in nng v b Shunt phớa ngun cung cp Hỡnh 2.5 B DVR khụng cú b lu tr in nng v b Shunt phớa ti Hỡnh 2.6 Cu pha Graetz v s chuyn mch ca nú Hỡnh 2.7 Cu hỡnh nghch lu NPC v s chuyn mch ca nú Hỡnh 2.8 Cu hỡnh nghch lu ch H v s chuyn mch ca nú Hỡnh 2.9 V trớ ca b lc phớa ti Hỡnh 2.10 V trớ b lc phớa bin tn Hỡnh 2.11 Cỏch u cun s cp mỏy bin ỏp bự theo cu hỡnh tam giỏc Hỡnh 2.12 Cỏch u cun s cp mỏy bin ỏp bự theo cu hỡnh Hỡnh 2.13 V trớ ca b DVR li trung ỏp Hỡnh 2.14 V trớ ca b DVR li h ỏp Hỡnh 2.15 Mch tng ng ca b DVR Hỡnh 2.16 B DVR ch bo v Hỡnh 3.1 Cỏc phng phỏp bự ng dng b DVR Hỡnh 3.2 Phng phỏp iu khin cho b bự ỏp nhanh DVR Hỡnh 3.3.Phng phỏp bự trc lừm ( bự c biờn v gúc pha) Hỡnh3.4 Phng phỏp bự ng pha (ch bự v mt biờn ) Hỡnh 3.5 Phng phỏp ti u húa nng lng bự Hỡnh 3.6 Phng phỏp kt hp gia bự trc lừm v bự ng pha Hỡnh 3.7 Cỏc phng phỏp iu khin ng dng cho b nghch lu Hỡnh 3.8 Gin pha ca SPLL Hỡnh 3.9 Thut toỏn iu khin cho b DVR Hỡnh 3.10 Thut toỏn iu khin cho b DVR s dng iu khin tin nh da trờn bin i dq Hỡnh 3.11 S thay th ca b bự ỏp nhanh Hỡnh 3.12.S mụ phng phn mm Matlab /Simulink Hỡnh 3.13.in ỏp ti tham chiu - in ỏp chun Hỡnh 3.14 in ỏp ngun b lừm 15%, thi gian 0,2 (s) Hỡnh 3.15 in ỏp ngun b lừm 15%, h ta dq Hỡnh 3.16 in ỏp b bự ỏp nhanh DVR lừm 15% Hỡnh 3.17 in ỏp ca ti sau bự bi b DVR lừm 15% Hỡnh 3.18 in ỏp ngun b lừm 40%, thi gian 0,2 (s) Hỡnh 3.19 in ỏp ngun b lừm 40%, thi gian 0,2 (s) ta dq Hỡnh 3.20 in ỏp b bự ỏp nhanh DVR mc lừm 40% Hỡnh 3.21 in ỏp ti sau c bự bi b DVR mc lừm 40% Hỡnh 3.22 in ỏp ti b lừm 70% thi gian 0,2 (s) Hỡnh 3.23 in ỏp ti b lừm 70% thi gian 0,2 (s) h ta dq Hỡnh 3.24 in ỏp DVR 70% thi gian 0,2 (s) Hỡnh 3.25 in ỏp ti sau bự mc lừm 70% thi gian 0,2 (s) T cụng thc trờn cho thy rng: Dũng in ca mỏy bin ỏp úng vai trũ l nhiu lon cho in ỏp ca b lc Nhiu lon ny nh hng bt li n b iu khin v giỏn tip lờn ngun chiu DC Gi s rng nhiu lon b trit tiờu ( nh trng hp khụng ti), ú hm truyn t cũn li l khõu quỏn tớnh bc Vs Vinv Lf C f s2 Rf C f i tng l mt khõu quỏn tớnh bc 2, cú dng chun nh sau: n2 G(s) s wns+n2 B iu khin PI cú dng : Kp s Ki s Kp (1 ) Ti s Phng trỡnh c tớnh ca vũng iu khin kớn s l: Gcl (s) s3 2n s2 (2n K pn2 )s n2 Ki (*) Vi h s tt dn n Tn s t R 2n Lf Lf C f Khi hm c tớnh ca h cú dng bc cú th biu din bng biu thc P1(s).P2(s), ú P1(s) biu din cho hng s thi gian tri, P2(s) biu din cho hng s thi gian ph La chn cỏc giỏ tr v thi gian nh Tp , thi gian xỏc lp Ts , quỏ iu chnh %OS mong mun Khi ú hm c tớnh s l: Gcld (s) (s a)(s2 2dd s d2 ) P1 (s)P2 (s) d 0,02 d 2425,98(rad / s) a= 0,5 65 Gcld ( s) s3 97,5392s 48,5196s 2942689, 48 Thay vo cụng thc trờn: ng nht vi cụng thc (*) ta thu c cỏc thụng s ca b iu khin nh sau: Kp= 4,12 ; Ki=2,06 h thng ỏp ng tt hn vi vic lừm in ỏp ta tin hnh hiu chnh cỏc thụng s b iu khin PID, thụng s ti u theo thc nghim c nh sau : Thụng s b iu khin PI ca trc d: Kp(d)= 2,5; Ti(d)= 0,34 Tng t cho trc d, hiu chnh c thụng s b iu khin nh sau: Thụng s b iu khin PI ca trc q: Kp(q)= 3,5; Ti(q)= 0,5 Cỏc thụng s Kp v Ki m bo thi gian ỏp ng nhanh cng nh bự ỳng lng in ỏp lừm vo h thng Cỏc thụng s ca h thng in ỏp pha 400V Tr khỏng ng dõy Ls=0,5 mH, Rs= 0,1 Ohm T s mỏy bin ỏp bự 1:1 in ỏp ngun DC cung cp 310V in tr b lc 0,02 Ohm in cm b lc mH in dung b lc 12 àF in tr ti 150 Ohm in cm ca ti mH Tn s chuyn mch kHz Tn s ng dõy truyn ti 50 Hz Cụng sut mỏy bin ỏp lc pha/ 560 kVA Cụng sut mỏy bin ỏp bự 60 kVA Thụng s b iu khin PI ca trc d Kpd= 2,5; Tid= 0,34 Thụng s b iu khin PI ca trc q Kpq= 3,5; Tiq= 0,5 Bng 3.1 Cỏc thụng s mụ phng ca b DVR 66 3.5.2.Thit lp mụ hỡnh mụ phng Matlab/Simulink DVR thit lp mụi trng MATLAB v a vo h thng in bo v cỏc ti nhy cm h thng phõn phi u ni mỏy bin ỏp la chn l hỡnh bờn phớa DVR v c t trờn ng phõn phi phớa trc ca ti nhy cm cn c bo v B lc cú th c ci t phớa mỏy bin ỏp ngn chn cỏc súng hi tn s cao gõy bi chuyn i DC sang AC nhm gim mộo u Ngun in ỏp DC l mt ngun bờn ngoi bng Acquy cung cp in ỏp DC n bin tn Vic ti u húa ngun DC cú th c xỏc nh quỏ trỡnh mụ phng vi nhiu cu trỳc iu khin, cu hỡnh ca b DVR, cỏc yờu cu v vic bo v ti nhy cm, in ỏp lừm xy ti im m DVR c lp t hiu chc nng hot ng ca DVR cựng vi h thng iu khin quỏ trỡnh in ỏp lừm xy thỡ mụi trng MATLAB / Simulink l mt cụng c hu ớch thc hin nghiờn cu ny vỡ nú cú rt nhiu hp cụng c cú th c s dng cụng vic ny v d hiu Cu trỳc iu khin ca DVR c thit lp bng cỏch s dng cụng c SimPower System Toolbox Matlab/ Simulink Cu trỳc ca mụ hỡnh trờn bao gm hai to ngun chun v to in ỏp cung cp vi vic ci t in ỏp lừm theo cỏc biờn khỏc Theo nh ngha v lừm in ỏp thỡ s st gim biờn n 90%, nhiờn thc t thỡ b DVR ch bự c ti a in ỏp c 40-45% Khi lừm in ỏp xy thỡ b bự ỏp s c kớch hot thụng qua b iu khin PI vi phng phỏp iu ch rng xung PWM, chuyn i dũng nng lng DC sang AC thụng qua b nghch lu VSI v bự vo cho in ỏp ti thụng qua mỏy bin ỏp bự cú cụng sut phự hp 67 Hỡnh 3.12.S mụ phng phn mm Matlab /Simulink 68 3.6 Mụ phng, ỏnh giỏ v tho lun 3.6.1 Tin hnh mụ phng trờn Matlab/Simulink Tin hnh mụ phũng mụ hỡnh Matlab/Simulink nh trờn khong thi gian l 0,4 (s) vi thi gian lừm in ỏp l t thi im 0,1(s) cho n 0,3 (s) kim tra kh nng ỏp ng ca b bự ỏp nhanh DVR s tin hnh vic lừm in ỏp cỏc mc l : Mc lừm in ỏp thp : 15% Mc lừm in ỏp : 40% Mc lừm in ỏp quỏ ti hn: 70% Hỡnh 3.13.in ỏp ti tham chiu - in ỏp chun 69 a Mc in ỏp lừm l 15% Hỡnh 3.14 in ỏp ngun b lừm 15%, thi gian 0,2 (s) Hỡnh 3.15 in ỏp ngun b lừm 15%, h ta dq 70 Hỡnh 3.16 in ỏp b bự ỏp nhanh DVR lừm 15% Hỡnh 3.17 in ỏp ca ti sau bự bi b DVR lừm 15% 71 b Mc lừm in ỏp l 40% Hỡnh 3.18 in ỏp ngun b lừm 40%, thi gian 0,2 (s) Hỡnh 3.19 in ỏp ngun b lừm 40%, thi gian 0,2 (s) ta dq 72 Hỡnh 3.20 in ỏp b bự ỏp nhanh DVR mc lừm 40% Hỡnh 3.21 in ỏp ti sau c bự bi b DVR mc lừm 40% 73 c Mc lừm in ỏp l 70% Hỡnh 3.22 in ỏp ti b lừm 70% thi gian 0,2 (s) Hỡnh 3.23 in ỏp ti b lừm 70% thi gian 0,2 (s) h ta dq 74 Hỡnh 3.24 in ỏp DVR 70% thi gian 0,2 (s) Hỡnh 3.25 in ỏp ti sau bự mc lừm 70% thi gian 0,2 (s) 75 3.6.2 ỏnh giỏ v tho lun - T kt qu mụ phng thu c cho thy rng b bự ỏp nhanh ó hot ng tt, ỳng thi im v bự lng ỳng vi in ỏp ngun b lừm khong thi gian 02 (s) ( t mc thi gian 0,1 (s) cho n mc thi gian 03, (s)) in ỏp ti c trỡ n nh 1.00( p.u),v khụng b ngt quóng bi hin tng lừm in ỏp xy ra, bo v an ton cho ti nhy cm vi trng hp in hỡnh l 15% v 40% - Vi mc lừm in ỏp 70%, vic b DVR bự khụng in ỏp thi gian lừm l DVR c thit k bự cụng sut ti a l 40-45% cụng sut ti, nu mun bự in ỏp lừm mc cao hn thỡ cú th tng cụng sut ca b DVR hoc l thi gian lừm nh c mt vi chu k T kt qu mụ phng cho thy b DVR cú kh nng bự ti a l 43% phự hp vi thit k ban u a - B iu khin PI vi phng phỏp s dng l iu khin tin nh cho phộp b DVR bự nhanh vi cht lng tt, ỳng bng lng cn bự lừm xy gii hn ca b DVR 76 HNG PHT TRIN TI Cụng tỏc nghiờn cu tng lai v hng phỏt trin ti cú th c thc hin cỏc ni dung sau: Bờn cch vic s dng b iu khin PI, cú th ng dng nhiu b iu khin phng phỏp iu khin bự cho b DVR nh: bự xen kờnh, s dng b iu khin cng hng ( PR), hoc l thit k thờm mch vũng dũng in cho h thng Nghiờn cu v vic s dng kt hp vi b D-STATCOM gim thiu mt cỏch ton din ng thi nh hng ca súng hi, lừm/li in ỏp, v cỏc hiu ng kốm theo ca yu t nhiu lon chuyn mch v nõng cao h s cụng sut l cn thit vic s dng ngy cng tng ca cỏc thit b in in t Tớch hp thờm cho b DVR cú chc nng lc súng hi chớnh bn thõn nú Trong cu trỳc ca b DVR cú th s dng h thng lu tr nng lng siờu t tớnh (SMES), ng dng cho h thng ln 77 TI LIU THAM KHO Anita Pakharia, Manoj Gupta, Dynamic voltage restorer for compensation of voltage sag and swell: a literature review, International Journal of Advances in Engineering & Technology, July 2012, Vol 4, Issue A.Ghosh and G.Ledwich, Power quality enhancement using custom power devices, Kluwer Academic Publishers, 2002 Chellali BenachaiBa, Brahim Ferdi,Voltage Quality Improvement Using DVR, Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol XIV, No 1, 2008 C.Zhan,V.K.Ramachandramurthy,A.Arulampalam,C.Fitzzer,M.Barnes,N.Jenkin s, Control of a battery supported dynamic voltage restorer, IEEE proceedings on Transmission and Distribution, Vol.149 (No.5), Sep 2002, pg 533-542 Gỹlỗin Ouz (2004), Performance of a dynamic voltage restorer for a practical situation, Middle East technical university John Godsk Nielsen, Design and Control of a Dynamic Voltage Restorer Aalborg University, Denmark Institute of Energy Technology, March 2002 John Godsk Nielsen, Analysis of Topologies for Dynamic Voltage Restorer, pp 1027-1032, 2001 J.G.Nielsen,M.Newman, H Nielsen, and F Blaabjerg, Control and testing of a dynamic voltagerestorer (DVR) at medium voltage level, IEEE Trans Power Electronics, vol.19, no.3, p.806, May 2004 Rosli Omar, Nasrudin Abd Rahim, Marizan Sulaiman, Modeling and simulation for voltage sags/swells mitigation using dynamic voltage restorer (dvr), Journal of Theoretical and Applied Information Technology, JATIT, 2005 2009 10 M.Sharanya, B.Basavaraja , M.Sasikala, An Overview of Dynamic Voltage Restorer for Voltage Profile Improvement, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 8958, Volume-2, Issue-2, December 2012 78 11 M.V.Kasuni Perera,Control of a Dynamic Voltage Restorer to compensate single phase voltage sags, Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2007 12 P.Boonchiam and N Mithulananthan, Understanding of Dynamic Voltage Restorers through MATLAB Simulation, Thammasat Int J Sc Tech., Vol 11, No 3, July-Sept 2006 79 ... kết nối nối tiếp mà điện áp bù điều khiển điện áp tải Với tải nhạy cảm với điện áp trường hợp điện áp bị lõm DVR bù phần điện áp bị thiếu hụt điện áp tải phục hồi với điện áp danh định vòng vài... điện vấn đề rộng phân chia thành hai loại là: chất lượng điện áp chất lượng tần số Các vấn đề chất lượng điện áp có liên quan với : lõm điện áp, lồi điện áp, điện áp thấp, điện áp cao, điện áp. .. nhiễu loạn Ảnh hưởng Điện áp cao Hư hại mặt cách điện Điện áp thấp Quá dòng cho moto Điện áp không cân Mô tơ bị nóng Điện áp trung tính- đất Gây cố cho thiết bị số Gián đoạn điện áp Ngừng hoạt động