Nghiên cứu hiệu quả chống sụt giảm điện áp ngắn hạn của thiết bị khôi phục điện áp DVR

Ngày nay, do mức độ phức tạp về cấu trúc, nguồn điện vàphụ tải của các hệ thống điện lớn, vấn đề về chất lượng điện năng ngày càng thu hútđược sự quan tâm rộng rãi:  Nhiều thiết bị điện

Trang 1

MỞ ĐẦU

Điện năng là một nhân tố quan trọng đảm bảo cho sự phát triển kinh tếcủa bất kì quốc gia nào Ngày nay, do mức độ phức tạp về cấu trúc, nguồn điện vàphụ tải của các hệ thống điện lớn, vấn đề về chất lượng điện năng ngày càng thu hútđược sự quan tâm rộng rãi:

 Nhiều thiết bị điện hiện nay sử dụng các mạch điện tử công suất, mạch điềukhiển dựa trên bộ vi xử lý các thiết bị này rất nhạy cảm với các nhiễu loạn trênlưới điện

 Yêu cầu nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện và vận hành của hệ thốngđiện đòi hỏi phải ứng dụng các kĩ thuật điều khiển nâng cao hiệu suất như các bộđiều tốc, các bộ tụ có điều khiển nhằm giảm tổn thất Điều này dẫn đến sự gia tăngsóng hài và nhiễu loạn trong hệ thống điện

 Sự quan tâm ngày càng lớn của người sử dụng Người sử dụng điện ngàycàng nhận thức được về tầm quan trọng của chất lượng điện năng và yêu cầu đượccung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo hơn Đây cũng là thách thức đối với nhàcung cấp nhằm cải thiện chất lượng điện năng phân phối

 Các hệ thống ngày càng có sự liên hệ và thống nhất cao hơn Điều đó cónghĩa rằng bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần tử nào trong hệ thống cũng đều cóthể gây ra hậu quả lớn đối với cả hệ thống

Chất lượng điện năng bao gồm các vấn đề về độ tin cậy cung cấp điện, chấtlượng tần số, chất lượng dòng điện, chất lượng điện áp Tuy vậy khi xem xét đếnvấn đề điều chỉnh chất lượng điện năng, ta chủ yếu xem xét đến điều chỉnh chấtlượng điện áp Trong đó, hiện tượng sụt áp ngắn hạn là một trong những hiện tượnggây ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng do tần suất xảy ra thường xuyên, cókhả năng gây ảnh hưởng nghiêm trọng Bởi vậy, sụt giảm điện áp ngắn hạn đangđược quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Đề tài tốt nghiệp em được giao: “Nghiên cứu hiệu quả chống sụt giảm điện ápngắn hạn của thiết bị khôi phục điện áp DVR”

Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn TS.Trương NgọcMinh cùng các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện đã hướng dẫn một cách tận tình

để em có thể hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 5 tháng 6 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Trang 2

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN 8

1.1 Chất lượng điện năng 8

1.1.1 Độ tin cậy cung cấp điện 8

1.1.2 Chất lượng tần số 8

1.1.3 Chất lượng điện áp 9

1.2 Khái niệm về hiện tượng sụt giảm điện áp 9

1.3 Nguyên nhân gây ra sụt áp ngắn hạn 10

1.4 Ảnh hưởng của sụt áp ngắn hạn 10

1.5 Các đặc trưng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn 10

1.6 Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp 11

1.6.1 Hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống 11

1.6.2 Giảm thời gian loại trừ sự cố 11

1.6.3 Thay đổi kết cấu lưới 11

1.6.4 Cải thiện khả năng chịu đựng sụt áp của các thiết bị 11

1.6.5 Giảm thiểu sụt giảm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp (DVR) 11

1.7 Tóm tắt và kết luận 12

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR 13

2.1 Phương pháp xác định giá trị điện áp bù của DVR 13

2.1.1 Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp 13

2.1.2 Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp 14

2.1.3 Phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng 14

2.2 Phương pháp Clark và Park 15

2.3 Vòng khoá pha PLL 18

2.4 Cấu trúc của DVR 20

2.4.1 Bộ phận cấp năng lượng 20

2.4.2 Bộ biến đổi 23

2.4.3 Bộ lọc tần số chuyển mạch 30

Trang 3

2.4.4 Máy biến áp ghép nối tiếp 33

2.4.5 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR 33

2.5 Tóm tắt và kết luận 34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA DVR 35

3.1 Sơ đồ mô phỏng 35

3.2 Hệ thống DVR 35

3.2.1 Bộ phận lưu trữ năng lượng 35

3.2.2 Mạch nghịch lưu 36

3.2.3 Mạch lọc 37

3.2.4 Máy biến áp ghép 38

3.2.5 Bộ điều khiển điện áp 38

3.2.6 Mô hình mô phỏng DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn trong hệ thống điện 40

3.3 Kết quả mô phỏng 42

3.3.1 Các trường hợp sụt giảm điện áp 42

3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của bộ lọc LC tới hiệu quả làm việc của DVR 49

3.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của DC-Link tới hiệu quả làm việc của DVR 50

3.3.4 Tóm tắt và kết luận 52

KẾT LUẬN CHUNG 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

Trang 4

HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sụt áp một pha và sụt áp ba pha [2] 10

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của DVR [7] 12

Hình 2.1 Ba phương pháp tính điện áp bù DVR [7] 13

Hình 2.2 Phép biến đổi Clark [6] 15

Hình 2.3 Phép biến đổi Park [6] 16

Hình 2.4 Điện áp trên hệ toạ độ ba pha ABC (Hình a) và hệ tọa độ dq (Hình b) khi sự cố ba pha 17

Hình 2.5 Điện áp trên hệ toạ độ ba pha ABC (Hình a) và hệ tọa độ dq (Hình b) khi sự cố pha A 17

Hình 2.6 Mô hình vòng khóa pha PLL [6] 18

Hình 2.7 Cấu trúc vòng khóa pha thực hiện trên hệ tọa độ dq [6] 19

Hình 2.8 Giản đồ vecto điện áp trong tọa độ αβ và dq [6] 19

Hình 2.9 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều không đổi [7] 21

Hình 2.10 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều thay đổi [7] 21

Hình 2.11 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía nguồn [7] 22

Hình 2.12 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía tải [7] .22 Hình 2.13 Cấu trúc bộ biến đổi nửa cầu kết nối MBA kiểu sao/sao hở 24

Hình 2.14 Cấu trúc bộ biến đổi cầu ba pha kết nối MBA kiểu tam giác/sao hở 25

Hình 2.15 Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha 26

Hình 2.16 Cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha 26

Hình 2.17 Mạch nghịch lưu cầu 3 pha 27

Hình 2.18 Tín hiệu điều khiển van và điện áp các pha 28

Hình 2.19 Điện áp dây và điện áp pha 29

Hình 2.20 Nguyên tắc tạo xung của thuật toán điều chế SPWM 30

Hình 2.21 Tụ điện kết nối phía nguồn 30

Hình 2.22 Tụ điện kết nối phía nguồn và tải 31

Hình 2.23 Cấu trúc bộ lọc có tụ điện kết nối song song với bộ biến đổi 31

Hình 2.24 Cấu trúc bộ lọc LC phía bộ biến đổi 32

Hình 2.25 Cấu trúc bộ lọc RC phía nguồn 32

Trang 5

Hình 2.26 Sơ đồ cấu trúc của DVR kết nối lưới phân phối [1] 34

Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống mô phỏng 35

Hình 3.2 Thông số bộ lưu trữ năng lượng 36

Hình 3.3 Mạch nghịch lưu cầu ba pha 36

Hình 3.4 Sơ đồ và thông số mạch điều chế xung SPWM 37

Hình 3.5 Thông số mạch lọc thông thấp LC 38

Hình 3.6 Thông số của máy biến áp ghép 38

Hình 3.7 Khối biến đổi điện áp từ hệ tọa độ abc sang dq0 39

Hình 3.8 Khối biến đổi điện áp từ hệ hệ tọa độ dq0 sang abc 39

Hình 3.9 Mô hình khối PLL 40

Hình 3.10 Bộ điều khiển PI của DVR 40

Hình 3.11 Mô hình mô phỏng 41

Hình 3.12 Điện áp của nguồn điện 42

Hình 3.13 Điện áp tải 42

Hình 3.14 Điện áp của DVR bơm vào lưới 42

Hình 3.15 Điện áp hiệu dụng trên tải 42

Hình 3.16 Hệ số méo tổng THD (%) 43

Hình 3.19 Điện áp của DVR bơm vào lưới điện 43

Hình 3.25 Biên độ điện áp hiệu dụng trên tải 45

Trang 6

Hình 3.42 Thông số của bộ lọc LC 49

Hình 3.47 Điện áp đặt trên tụ của DC-Link 51

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Viết tắt cho Nghĩa tiếng Việt

DVR Dynamic Voltage Restorer Thiết bị khôi phục điện áp động

Ký hiệu Ý nghĩa

Udip Giá trị điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM

ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN 1.1 Chất lượng điện năng

Chất lượng điện năng bao gồm các hiện tượng liên quan đến nhiễu loạn điện

Trang 8

 Sụt giảm và dâng điện áp.

 Quá độ dòng điện và điện áp

 Độ không sin của dòng điện và điện áp

 Nhấp nháy điện

 Mất cân bằng công suất

 Thay đổi tần số hệ thống

1.1.1 Độ tin cậy cung cấp điện

Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống bao gồm:

 Xác suất thiếu điện cho phụ tải, là xác suất công suất phụ tải lớn hơn côngsuất nguồn điện

 Xác suất thiếu điện trong thời gian phụ tải cực đại

 Điện năng thiếu (hay điện năng mất) cho phụ tải do hỏng hóc hệ thốngtrong một năm

 Thiệt hại kinh tế tính bằng tiền do mất điện

 Thời gian mất điện trung bình cho một phụ tải trong một năm

 Số lần mất điện cho một phụ tải trong một năm

f f f

f min ≤ f ≤ f max (1.3)

Trong đó: f min =f dm -Δf min (1.4)

f max =f dm -Δf max (1.5)

b, Dao động tần số

Dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần

số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0.1% Độ dao động tần số khôngđược lớn hơn giá trị cho phép

1.1.3 Chất lượng điện áp

Chất lượng điện áp gồm các tiêu chí sau:

Trang 9

a, Độ lệch điện áp so với điện áp định mức của lưới điện:

.100

dm dm

U U U

c, Độ không đối xứng

Phụ tải không đối xứng dẫn đến điện áp các pha không đối xứng Sự khôngđối xứng này được đặc trưng bởi thành phần thứ tự nghịch U2 của điện áp Điện ápkhông đối xứng làm giảm hiệu quả hoạt động, giảm tuổi thọ của thiết bị điện vàtăng tổn thất điện năng

d, Độ không sin

Các thiết bị có đặc tính phi tuyến như máy biến áp không tải, thiết bị điện tửcông suất, thiết bị điều khiển … làm biến dạng điện áp khiến cho nó không còn hìnhsin và xuất hiện các sóng hài bậc cao Các sóng hài bậc cao này làm tăng tổn thất sắt

từ trong động cơ, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị sử dụng điện

1.2 Khái niệm về hiện tượng sụt giảm điện áp

Tiêu chuẩn IEEE 1159-1995, định nghĩa sụt giảm điện áp ngắn hạn là “hiệntượng suy giảm điện áp xuống còn 0.1 đến 0.9 điện áp định mức ở tần số côngnghiệp trong khoảng thời gian từ 0.5 chu kì đến 1 phút”

Một số hình ảnh mô tả sụt áp được thể hiện ở hình 1.1

Trang 10

Hình 1.1 Sụt áp một pha và sụt áp ba pha [2]

1.3 Nguyên nhân gây ra sụt áp ngắn hạn

Trong hệ thống điện sụt áp ngắn hạn được hình thành do các nguyên nhân sau:

 Có sự cố (ngắn mạch, chạm đất…) trong hệ thống điện

 Đóng điện không tải máy biến áp lực

 Đưa phụ tải có công suất lớn vào sử dụng

 Đối với các thiết bị điện tử trong công nghiệp, khi xảy ra sụt áp ngắn hạn cóthể gây ra lỗi sản phẩm trong dây chuyền sản xuất, gây hư hỏng hoặc làm giảm tuổithọ thiết bị Nghiêm trọng hơn có thể gây ra việc tạm ngừng dây chuyền sản xuấtdẫn đến thiệt hại nặng nề

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

Các đặc tính chính của một hiện tượng sụt giảm điện áp là biên độ dao động

và khoảng thời gian tồn tại sụt áp Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học kĩthuật, các thiết bị điện tử ra đời thì ta còn quan tâm đến một số đặc tính khác như:

 Không cân bằng ba pha

 Nhảy góc pha

 Ảnh hưởng của phụ tải đến sụt áp

Trang 11

1.6 Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp

1.6.1 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 còngiảm tần suất mất điện Đây là cách rất hiệu quả và thường ít tốn kém để cải thiệnchất lượng điện năng cung cấp

1.6.2 Giảm thời gian loại trừ sự cố

Giảm thời gian loại trừ sự cố làm giảm mức độ nghiêm trọng của sự cố Nókhông thay đổi được số lần mất điện nhưng có thể giảm đáng kể khoảng thời giansụt áp

1.6.3 Thay đổi kết cấu lưới

Bằng cách thay đổi kết cấu lưới, mức độ nghiêm trọng của sự cố được giảmbớt, điều này dẫn đến mức độ sụt giảm điện áp cũng giảm theo Nhược điểm củaphương pháp này là giá thành thực hiện rất tốn kém

1.6.4 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 nhấtchống lại hiện tượng sụt giảm điện áp Ngoài ra, cần xem xét kỹ về khả năng chịuđựng điện áp sụt với toàn bộ contactor, rơle, cảm biến,

1.6.5 Giảm thiểu sụt giảm điện áp bằng bộ khôi phục điện áp (DVR)

DVR là thiết bị điện tử công suất mắc nối tiếp với hệ thống bao gồm bốn bộphận chính, tài liệu [7]:

 Bộ phận cấp năng lượng: Có khả năng lưu trữ năng lượng và kết nối vớiVSC để có thể tạo ra điện áp xoay chiều cần thiết bù cho một sự cố sụt giảm điệnáp

 Bộ biến đổi: Phổ biến hiện nay là bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha (VSC)xây dựng dựa trên các van bán dẫn IGBT, được điều khiển bằng áp dụng điều chếPWM

 Bộ lọc tần số chuyển mạch: Làm giảm các hài chuyển mạch phát ra bởiPWM của VSC, cải thiện dạng sóng điện áp bơm vào của DVR

 Máy biến áp ghép: Cách ly về điện giữa hệ thống DVR và lưới, đồng thờinâng điện áp cung cấp bởi DVR khi cần thiết

DVR được sử dụng với vai trò chủ yếu để bù sụt áp, dựa trên ý tưởng là bơmvào một điện áp có biên độ, tần số và góc pha mong muốn vào giữa điểm kết nốichung và tải Trong điều kiện bình thường DVR không hoạt động hoặc chỉ bơm mộtlượng điện áp rất nhỏ để bù điện áp rơi trên các bộ phận Cấu trúc cơ bản của DVRđược thể hiện trên hình 1.2:

Trang 12

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của DVR [7]

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

1.7 Tóm tắt và kết luận

Sụt giảm điện áp ngắn hạn là một trong những hiện tượng gây ảnh hưởng lớnđến chất lượng điện năng trong hệ thống điện Hiện nay, việc sử dụng các thiết bịđiện tử công suất, máy vi tính, các dây chuyền sản xuất tự động hóa , đã đặt ra vấn

đề hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn trên lưới phân phốicàng trở nên quan trọng

Trong các giải pháp chống sụt giảm điện áp ngắn hạn, thiết bị khôi phục điện

áp động DVR là biện pháp hiệu quả bởi thiết bị này có thể đảm bảo điện áp phụ tảiđạt giá trị cho phép với khả năng phản ứng nhanh trước các sự cố gây sụt giảm điện

áp và thuật toán điều khiển DVR tương đối đơn giản

Mục tiêu của chuyên đề là đi sâu nghiên cứu, phân tích mô phỏng hiệu quảhoạt động của DVR ngăn ngừa sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới điện phân phối

Do đó chuyên đề được bố cục thành ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn

Chương 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của DVR

Chương 3: Kết quả mô phỏng hoạt động của DVR

Trang 13

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

CỦA DVR

Chương này sẽ trình bày chức năng, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của cácthành phần trong thiết bị DVR điển hình

2.1 Phương pháp xác định giá trị điện áp bù của DVR

Khi xảy ra sụt áp, điện áp tải thay đổi về biên độ và có thể thay đổi cả góc pha.Tuỳ thuộc vào yêu cầu điện áp tải, đặc trưng của sụt áp (điện áp sụt, nhảy góc pha,đối xứng hay không đối xứng), khả năng bơm của DVR (điện áp, công suất, nănglượng) mà chúng ta chọn phương pháp tính điện áp bù cho DVR khác nhau Cácphương pháp tính điện áp bù được sử dụng [7]:

 Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp ( U DVR 1)

 Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp ( U DVR 2)

 Phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng (U DVR 3)

Hình 2.1 Ba phương pháp tính điện áp bù DVR [7]

2.1.1 Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp

Khi sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp, điện áp tải

được bù cho đến biên độ và pha trước khi xảy ra sụt áp Xét U pre-dip là giá trị điện áp

nguồn trước khi xảy ra sụt áp, U dip là giá trị điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp,

θ dip là góc nhảy pha điện áp Giả sử U pre dip   (pu) khi đó điện áp và công suất1 0bơm vào được tính theo biểu thức [7]:

Trang 14

1 sin( ) tan

dip dip DVR

Ta thấy công suất bơm vào của DVR khi xảy ra sụt áp phụ thuộc vào hệ số

công suất tải và sự nhảy pha Điện áp bơm vào không chịu ảnh hưởng của hệ số

công suất, nhưng khi có nhảy pha sẽ tăng điện áp DVR bơm vào Ngay cả khi biên

độ điện áp trên tải là 1pu, nếu xảy ra nhảy pha thì DVR vẫn phải hoạt động bơm

một lượng điện áp vào mạch để phục hồi lại giá trị góc pha điện áp tải

2.1.2 Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp

Phương pháp này phục hồi giá trị biên độ điện áp tải trong khi xảy ra sụt áp

bằng với biên độ điện áp ở chế độ bình thường Điện áp bơm vào bởi DVR cùng

pha với điện áp nguồn trong khi xảy ra sụt áp và có thể được tính theo biểu thức sau

2.1.3 Phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng

Phương pháp này được đưa ra để giảm thiểu dung lượng của bộ phận lưu trữ

năng lượng đến mức nhỏ nhất có thể hoặc trong điều kiện nguồn năng lượng lưu trữ

hạn chế Phương pháp này dựa trên nguyên lý: công suất lớn nhất có thể được cung

cấp bởi nguồn đạt được khi dòng tải và điện áp nguồn đồng pha Như vậy có thể

tăng lượng năng lượng cung cấp bởi nguồn bằng cách giảm góc pha của điện áp

nguồn và dòng điện tải Hệ số công suất của tải sẽ quyết định lượng công suất có

thể tăng thêm từ nguồn Công suất nguồn [7]:

P supply  3U supply I load cos(load)

(2.7) Lượng công suất tác dụng có thể tăng thêm được tính theo biểu thức [10]:

Kết luận: Ta thấy được phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện

áp phù hợp với tất cả loại tải khi xảy ra sụt áp Vì thế đây là phương pháp

được chọn để mô phỏng trong đồ án.

Để áp dụng phương pháp tối ưu chất lượng điện áp cần phải phát hiện được

sụt áp, xác định được biên độ điện áp và góc pha tải khi xảy ra sụt áp Một trong

Trang 15

những phương pháp được áp dụng phổ biến hiện nay là phương pháp biến đổi Clark

và Park

2.2 Phương pháp Clark và Park

Mục tiêu của phương pháp này là biến đổi điện áp từ hệ toạ độ ABC sang hệtoạ độ dq để đơn giản trong tính toán và điều khiển Trong hệ toạ độ ABC điện ápgồm 3 thành phần hình sin và biến đổi theo thời gian Hệ toạ độ tĩnh αβ là hệ toạ độđề-các vuông góc hai chiều, trục hoành là trục α, trục tung là trục β, chọn trục αtrùng với trục OA Sử dụng phép biến đổi Clark biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệtoạ độ αβ [6]:

u u

Hình 2.2 Phép biến đổi Clark [6]

Trong hệ toạ độ αβ điện áp vẫn là hình sin biến đổi theo thời gian,việc tínhtoán và điều khiển vẫn còn phức tạp Sử dụng phép biến đổi Park để chuyển tín hiệuđiện áp sang hệ toạ độ quay dq Hệ toạ độ dq là hệ toạ độ đề-các vuông góc gốc toạ

độ trùng với gốc toạ độ hệ trục toạ độ tĩnh αβ; các trục hoành d trục tung q cùngquay với vận tốc góc    t Vì các trục d, q cùng quay với vận tốc góc bằng tốc

độ quay của vector điện áp trong hệ toạ độ αβ nên điện áp trong hệ toạ độ dq là điện

áp một chiều Điều này giúp đơn giản trong tính toán Phép biến đổi Park [6]:

Trang 16

B q

Hình 2.3 Phép biến đổi Park [6]

Công thức biến đổi từ hệ toạ độ dq sang hệ toạ độ ABC:

q C

c u

u

u u

Để rõ hơn về biến đổi Clark và Park ta xét 2 ví dụ:

 VD1: Xét trường hợp khi có sự cố ba pha phía nguồn cấp

- Từ 0s đến 0,1s hệ thống hoạt động bình thường,

- Từ 0,1s đến 0,2s xảy ra sụt áp cả ba pha xuống 0.8 pu

- Từ 0.2s đến 0.3s xảy ra tăng áp cả ba pha lên 1,2 pu

- Từ 0.3s sự cố được loại trừ hệ thống trở lại hoạt động bình thường

Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 2.4

Trang 17

Hình a

Hình b Hình 2.4 Điện áp trên hệ toạ độ ba pha ABC (Hình a) và hệ tọa độ dq (Hình b) khi sự cố ba pha

Khi sự cố ba pha, điện áp ba vẫn đối xứng nên khi chuyển sang hệ tọa độ dqthì giá trị điện áp Ud, Uq có dạng như điện áp một chiều không đổi với Ud có giá trịbằng biên độ điện áp còn Uq bằng 0

Xét một ví dụ khác:

 VD2: Xét trường hợp sự cố 1 pha phía nguồn cấp (pha A)

- Từ 0s đến 0,1s hệ thống hoạt động bình thường,

- Từ 0,1s đến 0,2s xảy ra sụt áp pha A xuống 0.8 pu

- Từ 0.2s đến 0.3s xảy ra tăng áp pha A lên 1,2 pu

- Từ 0.3s sự cố được loại trừ hệ thống trở lại hoạt động bình thường

Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 2.5

Hình a

Hình b Hình 2.5 Điện áp trên hệ toạ độ ba pha ABC (Hình a) và hệ tọa độ dq (Hình b) khi sự cố pha A

Khi sự cố pha A, điện áp ba pha mất đối xứng Lúc này trên tọa độ dq cả haithành phần Ud, Uq có dạng dao động hình sin, Ud dao động quanh giá trị biên độđiện áp và Uq dao động quanh giá trị 0

Trang 18

 Nhận xét: Qua hai ví dụ trên ta thấy bất kì sự biến đổi nào của điện áp ba

pha sẽ kéo theo sự biến đổi ngay lập tức của hai thành phần Ud, Uq

Trong một số trường hợp, người ta đưa thêm thành phần thứ tự không vào hệtoạ độ dq Công thức biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệ toạ độ dq0:

PLL là một hệ thống điều khiển phản hồi vòng khép kín tạo ra một tín hiệucùng tần số và góc pha của tín hiệu đầu vào, bao gồm 3 giai đoạn: tách pha, tạo daođộng và vòng phản hồi Khi có sự thay đổi của tần số và góc pha của tín hiệu đầuvào, bộ tạo dao động thay đổi tần số góc pha tạo ra bằng với tần số góc pha của tínhiệu đầu vào Mô hình khối PLL:

Hình 2.6 Mô hình vòng khóa pha PLL [6]

Góc pha 1 của tín hiệu đầu vào được so sánh với góc pha 2của tín hiệu đầu

ra Sai lệch  của phép so sánh được biến đổi sang dạng điện áp V1 Tín hiệu điện

áp V1 bao gồm nhiều thành phần sóng hài, do đó cần bộ lọc thông thấp loại bỏ cácsóng hài bậc cao Nhưng bộ lọc này gây ra trễ cho quá trình phát hiện sụt áp mộtđiều chúng ta không mong muốn Tín hiệu điện áp V2 sau bộ lọc được đưa vào bộtạo dao động Kết quả sau bộ này là tín hiệu góc pha 2mong muốn

Để đơn giản trong tính toán và giảm thời gian trễ cho khối PLL, người ta ápdụng phương pháp tính toán góc pha trên hệ tọa độ dq

Trang 19

Hình 2.7 Cấu trúc vòng khóa pha thực hiện trên hệ tọa độ dq [6]

Cấu trúc này bao gồm khối biến đổi từ hệ toạ độ ABC sang hệ toạ độ dq, khốiđiều khiển PLL Nó làm việc theo nguyên tắc điều khiển vận tốc góc quay của hệtrục toạ độ dq sao cho hình chiếu của vecto điện áp lưới lên trục q bằng 0 Nhờ vậy,tốc độ quay của hệ toạ độ dq sẽ bám theo tốc độ quay của vecto điện áp lưới Ta xácđịnh tốc độ quay và góc quay của hệ toạ độ dq sẽ xác định được tần số và góc quaycủa điện áp lưới

Hình 2.8 Giản đồ vecto điện áp trong tọa độ αβ và dq [6]

Trong đó: V là vectơ điện áp được chọn làm tham chiếu sn

,

sdn sqn

V V là vectơ hình chiếu của V trên hệ tọa độ dq sn

Theo giản đồ vecto điện áp ta có :

1

s n

V V

Trang 20

Khi V  thì sin(γ)=0 γ=0 sqn 0   

Các bước tính toán góc pha của cấu trúc PLL thực hiện trên hệ tọa độ dq [6]:

 Bước 1: Sử dụng biến đổi Clark biến đổi tín hiệu điện áp từ hệ tọa độ ABCsang hệ tọa độ αβ [6]:

sb s

sc

u u

s sq

u u

V V





(2.20)

 Bước 4: Góc θ được xác định bằng cách cho V tiến tới giá trị 0 Sau đó sử sqn

dụng bộ điều khiển PI giảm thời gian đáp ứng hệ thống Tín hiệu đầu ra của PI đượckết hợp với góc quay ωs của điện áp nguồn danh định Cuối cùng để triệt tiêu sai số,

ta sử dụng thêm một khâu tích phân

2.4 Cấu trúc của DVR

2.4.1 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 khảnăng làm việc, chất lượng điện áp bù bởi DVR Tùy theo chất lượng lưới điện, loạitải, mức độ nghiêm trọng của sụt áp mà người ta lựa chọn cấu hình bộ phận cấpnăng lượng phù hợp từ các cấu hình dưới đây:

Trang 21

bộ nghịch lưu không vượt quá dòng định mức của tải Dựa vào đặc điểm của nguồnmột chiều mà ta chia làm 2 loại:

 DVR với nguồn cấp bổ sung một chiều thay đổi (Variable DC-link)

 DVR với nguồn cấp bổ sung một chiều không đổi (Constant DC-link)

Sơ đồ nguyên lý của hai loại nguồn này được thể hiện trên hình 2.9 và hình 2.10:

Hình 2.9 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều không đổi [7]

Hình 2.10 DVR với nguồn bổ sung là điện áp một chiều thay đổi [7]

Với các sụt áp trong thời gian ngắn ta có thể sử dụng cấu trúc 1 Hiệu quả cấuhình này giảm đi đối với các dạng sụt áp trong thời gian dài bởi năng lượng củanguồn này suy giảm dần theo thời gian Khi quá trình sụt áp kết thúc, năng lượngtrên tụ được nạp lại nhờ biến đổi dòng điện từ lưới (thông qua bộ nghịch lưu) hoặc

sử dụng bộ nạp

Cấu trúc 2 được sử dụng khi sụt áp xảy ra ở xa nguồn cấp và thời gian dài hơn

Ở cấu hình này một bộ lưu trữ năng lượng độc lập và một bộ biến đổi DC/DC đảmbảo duy trì điện áp trên DC-link không đổi Trong qúa trình phục hồi, năng lượngđược truyền từ bộ lưu trữ năng lượng đến DC-link thông qua bộ biến đổi DC/DC

2.4.1.2 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung

Kiểu DVR này có đặc trưng không có hệ thống riêng để lưu trữ năng lượng,tài liệu [1,7] Tụ điện phía một chiều bộ biến đổi chỉ phục vụ như bộ lọc làm giảmdao động điện áp Các hệ thống này lợi dụng thực tế là trong khi sụt áp, tồn tại mộtphần nhất định điện áp nguồn còn lại Nhờ đó hệ thống có thể được cấp nguồn liên

Trang 22

lưu tăng nhanh, hơn nữa bộ chỉnh lưu có thể gây méo dạng sóng dòng điện dẫn đếnảnh hưởng xấu đến điện áp tải Do vậy kiểu liên kết này phù hợp với các sụt áp cóthời gian dài, nhưng không phù hợp với các sụt áp sâu.

Hình 2.11 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía nguồn [7]

Hình 2.12 DVR không sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía tải [7]

Bộ phận quan trọng của các hệ thống này là bộ chỉnh lưu phải đảm bảo cấpnguồn cho phía DC-link Trong các phương án thực tế, hệ thống dùng bộ biến đổikhông điều khiển chiếm ưu thế Trên phương diện điểm nối nguồn bộ chỉnh lưu, ta

có thể phân biệt hai kiểu cấu trúc:

 Bộ chỉnh lưu nối về phía nguồn (Suppy side) hình 2.11

 Bộ chỉnh lưu nối về phía tải (Load side) hình 2.12

2.4.1.3 So sánh và lựa chọn cấu hình bộ phận cấp năng lượng DVR

Dựa trên đặc điểm của các bộ phận cấp năng lượng được nêu trên, ta thấy cấuhình không sử dụng nguồn cấp bổ sung chỉ phù hợp với trường hợp giảm sụt áp tạiphụ 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 nguồncấp bổ sung hoạt động tốt hơn

Nhìn chung, cấu hình không dùng nguồn cấp bổ sung và sử dụng chỉnh lưu nốiphía tải mang lại hiệu quả cao với giá thành thấp, đơn giản trong điều khiển và khảnăng chống sụt áp trong thời gian dài Nhược điểm của cấu hình này là công suấtcủa bộ nghịch lưu lớn và khi bù sụt áp có thể gây ảnh hưởng đến lưới

Cấu hình nguồn cấp bổ sung một chiều thay đổi có khả năng bù các sụt áp vớibiên độ và thời gian rất hạn chế Tuy vậy sự đơn giản của cấu hình này và yêu cầu

Trang 23

công suất cho bộ nghịch lưu cũng như bộ nạp thấp nhất nên trong một số trườnghợp các hạn chế này có thể chấp nhận được Cấu hình không dùng nguồn cấp bổsung 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

Cấu hình nguồn bổ sung một chiều không đổi 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

Với mong muốn khi DVR hoạt động ảnh hưởng của sụt áp đến điện áp tải

là ít nhất, nên đồ án lựa chọn mô phỏng bộ DVR có nguồn bổ sung một chiều không đổi (Constant DC-link).

2.4.1.2 Các phương pháp tích trữ năng lượng cho Constant DC-link

Lựa chọn được phương pháp tích trữ năng lượng phù hợp giúp tăng khả năngcủa hệ thống DVR trong việc bù sụt áp trên lưới điện Các hệ thống tích trữ nănglượng dùng cho mạch điện tử công suất đòi hỏi phải có khả năng nạp điện và phóngđiện nhanh Dưới đây là các phương án thường gặp [1,6]:

 Bảng tụ điện: Là phương pháp tích trữ năng lượng hay dùng nhất Ưu điểm

của các tụ điện là công suất tức thời có thể đạt được lớn Hiện nay các tụ điện gốmđược sử dụng có thể làm việc với điện áp cố định tới 1kV

 Các siêu tụ điện: Các siêu tụ điện là một giải pháp thay thế lớn đối với các

tụ điện do có điện dung và giá trị năng lượng tích trữ trên đơn vị khối lượng lớn.Hiệu suất (đo trong chu kì nạp-phóng) dao động trong khoảng 90-95%

 Các ắc quy axit chì: Giá thành của ắc-quy rẻ hơn các tụ điện khi xét trên

khả năng tích trữ năng lượng trên đơn vị khối lượng nhưng có trở kháng cao vàđộng học phóng điện phức tạp Do ắc-quy là hệ thống điện hóa, chúng có ảnhhưởng xấu đến môi trường tự nhiên và đòi hỏi bảo dưỡng thường xuyên Các tínhchất này làm cho ắc-quy ít được sử dụng trong các hệ thống DVR

 Các cuộn cảm siêu dẫn: Các cuộn cảm siêu dẫn (SMES) là phần tử tích trữ

năng lượng điện trong từ trường tạo ra bởi dòng điện một chiều chạy trong cuộnsiêu dẫn Đăc điểm của các cuộn cảm là cấu trúc gọn, tuổi thọ cao và tiếp cận tứcthời công suất Tuy nhiên chúng có giá thành cao

 Các giải pháp điện cơ: Các giải pháp điện cơ dựa trên việc sử dụng bánh

quay (Bánh đà) nơi mà năng lượng tích trữ ở dạng động năng của khối lượng quay.Giá trị năng lượng này phụ thuộc vào mô-men quán tính và tốc độ quay của bánhquay Nhược điểm của chúng là tổn thất năng lượng lớn do cọ xát với sức cản củakhông khí, có thể loại bỏ bằng cách áp dụng hộp chân không Nhưng giải pháp nàylàm tăng giá thành chung của cả hệ thống

Trang 24

2.4.2 Bộ biến đổi

Khi hoạt động DVR bơm điện áp nối tiếp với nguồn cung cấp Điện áp nàyđược tạo ra từ bộ biến đổi VSC kết nối với DC-link và hệ thống lưu trữ năng lượng

Do đồ án tập trung nghiên cứu đánh giá hiệu quả làm việc của DVR trên lưới hạ áp,

vì thế bộ biến đổi phải có khả năng tạo ra điện áp ba pha với thành phần thứ tựthuận và thứ tự nghịch Mặt khác bộ biến đổi phải có khả năng trao đổi công suấttrên cả hai chiều, chịu được điện áp cao và tổn hao thấp Các giải pháp thực tế hiệnnay, bộ biến đổi thường được xây dựng từ các linh kiện bán dẫn điều khiển hoàntoàn như IGBT

Bộ biến đổi của DVR khi làm việc với lưới thông thường được sử dụng là bộbiến đổi nguồn áp kết nối gián tiếp thông qua máy biến áp, hoặc có thể kết nối trựctiếp không qua máy biến áp Tuy nhiên tiếp cận qua máy biến áp có nhiều ưu điểmhơn, tài liệu [1,2,3,7]

2.4.2.1 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp

a, Những ưu điểm của cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp [1].

 Biến áp có thể được sử dụng để đảm bảo cách ly về điện cho DVR với lướiđiện

 Tỷ lệ biến áp được chọn để giảm điện áp yêu cầu cho bộ biến đổi

 Máy biến áp có thể được sử dụng như là một phần của bộ lọc đầu ra, hoặc

là điện cảm thứ nhất gần bộ biến đổi hoặc là một điện cảm gần với tải trong một cấutrúc bộ lọc LCL

 Điều khiển đơn giản hơn so với cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp

b, Một số nhược điểm khi sử dụng máy biến áp ghép nối tiếp [1].

 Tổn thất của máy biến áp có tính chất phi tuyến, là yếu tố hạn chế về lựachọn băng thông của hệ thống DVR

 Các máy biến áp nối tiếp tần số thấp thường cồng kềnh và có giá thành cao

c, Một số cấu trúc tiêu biểu của bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp

 Cấu trúc bộ biến đổi nửa cầu kết nối máy biến áp nối sao/sao hở, [1,7]

Trang 25

Hình 2.13 Cấu trúc bộ biến đổi nửa cầu kết nối MBA kiểu sao/sao hở

Cấu trúc trên sử dụng 6 van chuyển mạch, tạo ra ba mức điện áp –UDC/2, 0, +

UDC/2, luôn có 3 van chuyển mạch trong đường dẫn dòng điện Cấu trúc này có khảnăng tạo ra các thành phần điện áp thứ tự thuận ,thứ tự nghịch Để có thể tạo rathành phần thứ tự không, tụ điện phía DC-link được phân tách và điểm giữa đượcnối tới dây trung tính của máy biến áp nối tiếp

 Cấu trúc bộ biến đổi cầu ba pha kết nối máy biến nối tam giác/sao hở [1,7]

Hình 2.14 Cấu trúc bộ biến đổi cầu ba pha kết nối MBA kiểu tam giác/sao hở

Bộ biến đổi có 6 van chuyển mạch chỉ tạo ra hai mức điện áp –UDC, +UDC PhíaDC-link chỉ có một tụ điện với điện áp dễ dàng khống chế vì không phải điều khiển

để đảm bảo cân bằng điện áp như sơ đồ nửa cầu Sơ đồ này có khả năng tạo ra cácthành phần điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch Nên có thể sử dụng trong trườnghợp cần bù các sự cố mất cân bằng điện áp với ảnh hưởng của dòng thứ tự không

Trang 26

không đáng kể hoặc cấu trúc liên kết được đặt ở vị trí lưới trung áp không có dâytrung tính

Hai cấu trúc trên đây khá đơn giản, số lượng các van bán dẫn nhỏ, điều khiểnđơn giản

2.4.2.2 Cấu trúc bộ biến đổi nối lưới trực tiếp

Cấu trúc bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp được biết đến như một sự cải tiến vềmặt kĩ thuật từ bộ biến đổi kết nối máy biến áp Kết nối trực tiếp là tốt nhất và phùhợp cho các thiết bị nối tiếp mà chỉ trao đổi công suất phản kháng với lưới điện, dohoạt động nạp năng lượng cho DC-link là riêng biệt Đặc trưng của cấu trúc này làkhông có hệ thống lưu trữ năng lượng riêng, khả năng bù sụt áp phụ thuộc vào điện

áp nguồn cực đại của bộ biến đổi (trong đó có tỉ số biến áp nguồn) [1]

Hình 2.15 Các cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp một pha

Hình 2.16 Cấu trúc bộ biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha

a, Những ưu điểm của bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp

 Đặc tính động học sẽ được cải thiện, vì băng thông không bị giảm bởi cácmáy biến áp ( các ảnh hưởng phi tuyến, tổn thất điện áp gây ra bởi các máy biến ápđược loại bỏ)

 Tránh được sự cồng kềnh của máy biến áp, giúp DVR nhỏ gọn, giá thànhthấp, trọng lượng nhẹ…

b, Một số nhược điểm của bộ biến đổi kết nối lưới trực tiếp

Trang 27

 Bảo vệ các bộ biến đổi điện tử công suất là phức tạp hơn và cách điện phảibảo đảm tốt hơn.

 Cấu trúc liên kết của bộ biến đổi sẽ phức tạp dẫn đến yêu cầu cách ly caovới đất

Trong các cấu trúc bộ biến đổi kết nối biến áp nối tiếp, điện áp tạo ra của bộbiến đổi được lựa chọn với điện áp thấp, thường nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị cựcđại của điện áp lưới cần bơm vào Trong khi cấu trúc bộ biến đổi không máy biến

áp, điện áp này phải gần bằng điện áp lưới cần bơm vào Như thế, nó yêu cầu phải

sử dụng các linh kiện có khả năng chịu được điện áp cao tăng giá thành của DVR

Như vậy, sử dụng cấu trúc bộ biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp ghép mang lại hiệu quả cao hơn và sẽ được sử dụng mô phỏng trong đồ án này.

2.4.2.3 Các phương pháp điều chế

Phương pháp điều chế phổ biến hiện này là sử dụng điều chế độ rộng xung(PWM) với sóng mang dạng răng cưa Nguyên lý của phương pháp PWM là sosánh tín hiệu (sóng điều chế) cho trước u(t) với tín hiệu răng cưa bất kì (sóngmang) Tỷ số biên độ điện áp của sóng điều chế và sóng mang được gọi là hệ sốđiều chế m, tài liệu [2]:

mdc mc

U m U



(2.21)Thông thường ta chọn m≤1 Nếu m>1 là điều chế làm giảm chất lượng điện ápra

Phương pháp PWM cần quan tâm đến: Tần số chuyển mạch, sóng mang có thểbám tín hiệu cho trước (trong một phạm vi hẹp của tần số) và không có thành phầnchuyển mạch bậc thấp trong phổ điện áp Nhược điểm của phương pháp này là phải

sử dụng tần số chuyển mạch lớn làm tăng tổn hao, nhất là trong các hệ thống côngsuất lớn

Phương pháp điều chế vector cũng thường được sử dụng Phương pháp này cóthể cho tần số chuyển mạch thấp hơn với so với phương pháp PWM Ưu điểm củaphương pháp này là khai thác tốt điện áp một chiều và dễ dàng áp dụng khi sử dụngcác bộ xử lý tín hiệu

2.4.2.4 Điều khiển bộ nghịch lưu

Dựa trên việc tìm hiểu các ưu nhược điểm của hai bộ nghịch lưu đã trình bày ởmục 2.4.2.1 đồ án sẽ lựa chọn mạch nghịch lưu cầu ba pha để mô phỏng

Cấu trúc của bộ nghịch lưu cầu ba pha được thể hiện như trên hình 2.14 Pha

A của bộ nghịch lưu gồm có 2 khóa bán dẫn S1 và S4 và 2 điôt mắc song songngược, tài liệu [2,3]:

Định dạng
Số trang	55
Dung lượng	3,36 MB