Nghiên cứu thiết kế bộ khôi phục điện áp động dvr không sử dụng kho tích trữ năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH KHẮC LONG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG DVR KHÔNG SỬ DỤNG KHO TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Điều khiển Tự động hóa NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Việt Phương Hà Nội – Năm 2016 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU .1 Chương LÕM ĐIỆN ÁP VÀ CÁC THIẾT BỊ GIẢM LÕM 1.1 Chất lượng điện 1.2 Lõm điện áp 1.2.1 Định nghĩa 1.1.2 Nguyên nhân lõm điện áp 1.1.3 Đặc điểm lõm điện áp 1.1.4 Phân loại lõm điện áp 1.2 Các thiết bị giảm lõm điện áp Chương CẤU TRÚC CỦA BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG 11 2.1 Cấu trúc chung DVR 11 2.2 Vị trí DVR 12 2.2.1 DVR đặt MV 13 2.2.2 DVR đặt LV 15 2.3 Phương pháp kết nối với lưới điện 15 2.3.1 Cấu trúc biến đổi nối lưới thông qua máy biến áp 16 2.3.2 Cấu trúc biến đổi nối lưới không qua máy biến áp 17 2.4 Cấu trúc biến đổi 17 i 2.5 Nguồn cung cấp cho DVR 21 2.5.1 Cấu trúc DVR có tích trữ lượng 21 2.5.2 Cấu trúc DVR khơng có dự trữ lượng 23 2.5.3 So sánh cấu trúc 25 2.6 Bảo vệ cho DVR 26 2.6.1 Bảo vệ ngắn mạch 27 2.6.2 Bảo vệ kết nối lưới điện 28 Chương THIẾT KẾ BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG 30 3.1 Lựa chọn thông số nguồn tải 30 3.2 Thiết kế DVR 31 3.2.1 Nguồn cấp cho DVR 31 3.2.2 Thiết kế biến đổi 33 3.2.3 Thiết kế máy biến áp nối tiếp 35 3.2.4 Thiết kế lọc 36 Chương ĐIỀU KHIỂN BỘ KHÔI PHỤC ĐIỆN ÁP ĐỘNG .40 4.1 Các chế độ hoạt động 40 4.2 Chiến lược điều khiển cho dạng lõm điện áp 41 4.2.1 Lõm điện áp đối xứng 41 4.2.2 Lõm điện áp không đối xứng 44 4.3 Điều khiển điện áp tải 45 4.3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 45 4.3.2 Mơ hình tốn học biến đổi lọc 51 4.3.3 Thiết kế điều khiển 53 ii 4.4 Đồng lưới 56 4.5 Phát lõm điện áp 58 Chương MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 62 5.1 Xây dựng mơ hình mơ 62 5.1.1 Xây dựng mơ hình hệ thống điện 62 5.1.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển 62 5.2 Kết mô 66 Kết luận .71 Tài liệu tham khảo .72 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Thiệt hại cố điện áp gây [1] .3 Hình 1.2 Các cố điện áp định nghĩa theo IEEE Std 1159-1995 [2] .5 Hình 1.3 Lõm điện áp gây lỗi lưới điện Hình 1.4 UPS với hai BBĐ nguồn dự trữ [7] Hình 1.5 DVR nối tiếp [7] Hình 1.6 SSTS để chuyển đổi hai nguồn cung cấp [7] Hình 1.7 Nguyên lý hoạt động DVR 10 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc pha DVR 11 Hình 2.2 Mơ hình đơn giản DVR hệ thống điện 12 Hình 2.3 DVR đặt MV .13 Hình 2.4 DVR đặt LV 13 Hình 2.5 DVR sử dụng MBA [9] 16 Hình 2.6 DVR nối lưới trực tiếp [9] .16 Hình 2.7 Cấu trúc có BBĐ nửa cầu nối lưới qua MBA hở/sao [8] 18 Hình 2.8 Cấu trúc có BBĐ nửa cầu nối lưới qua MBA hở/tam giác [8] 18 Hình 2.9 Cấu trúc có BBĐ cầu lưới qua MBA hở/sao hở [8] 18 Hình 2.10 Cấu trúc có BBĐ nửa cầu đa mức nối lưới qua MBA hở/tam giác [8] 18 Hình 2.11 DVR có DC-link khơng đổi [8] .22 Hình 2.12 DVR có DC-link biến đổi [8] .22 Hình 2.13 DVR có BBĐ AC/DC mắc phía nguồn [8] 23 Hình 2.14 DVR có BBĐ AC/DC mắc phía tải [8] 25 iv Hình 2.15 Tỉ lệ cơng suất cấu trúc DVR sử dụng nguồn cung cấp khác lõm điện áp [8] 26 Hình 2.16 DVR với thiết bị bảo vệ pha 28 Hình 2.17 Sự cố hở mạch phía nguồn [10] 29 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc DVR để bảo vệ tải nhạy cảm 30 Hình 3.2 Cấu trúc pha DVR 34 Hình 3.3 Sơ đồ tương đương pha hệ thống sử dụng lọc LC 36 Hình 3.4 Sơ đồ tương đương pha hình 3.3 37 Hình 4.1 Đồ thị vector phương pháp điều khiển [8] 42 Hình 4.2 Bộ điều khiển feedforward 46 Hình 4.3 Bộ điều khiển feedback sử dụng điện áp tải 46 Hình 4.4 Bộ điều khiển feedback sử dụng điện áp DVR 47 Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng 48 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển điện áp tải hệ tọa độ quay dq 51 Hình 4.7 Sơ đồ pha VSC lọc LC nối lưới 51 Hình 4.8 Mơ hình biến đổi lọc LC hệ tọa độ dq 53 Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển dòng điện 55 Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển điện áp 56 Hình 4.11 Cấu trúc PLL [8] [10] .57 Hình 4.12 Phát lõm điện áp khơng đối xứng [8]: 60 Hình 4.13 Nguyên tắc hoạt động mạch phát có khả ngăn ngừa xung ngắn tín hiệu rơle on off [8] 61 Hình 5.1 Sơ đồ mơ Matlab – Simulink .65 v Hình 5.2 Lõm điện áp pha 66 Hình 5.3 Lõm điện áp pha 67 Hình 5.4 Lõm điện áp pha 68 Hình 5.5 Lõm điện áp pha chạm .69 vi DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1 Tỉ lệ xuất cố .4 Bảng 1.2 Ưu nhược điểm UPS, DVR SSTS Bảng 3.1 Thông số tải nhạy cảm .31 Bảng 3.2 Các tham số nguồn DVR .38 Bảng 5.1 Bảng tham số mô 63 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DVR Dynamic Voltage Restorer Bộ khôi phục điện áp động UPS Uninterruptible Power Supply Nguồn cung cấp liên tục RMS Root Mean Square Điện áp hiệu dụng LV Low Voltage Cấp điện áp thấp MV MediumVoltage Cấp trung áp AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều STS Static Transfer Switch Bộ chuyển đổi mạch tĩnh VSC Voltage Source Converters Bộ chuyển đổi nguồn điện áp IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly PWM Pulse-Width Modulation Phương pháp điều chế độ rộng xung PLL Phase-Locked Loop Vịng khóa pha viii MỞ ĐẦU Vấn đề chất lượng điện từ lâu quan tâm đến từ công ty cung cấp điện khách hàng dùng điện tổn thất lớn từ chất lượng điện không đảm bảo cho việc vận hành hệ thống cách linh hoạt, khai thác hệ thống cách hiệu Hiện nay, công nghiệp phát triển, tổn thất ngày tăng Nguyên nhân mức độ tự động hóa hoạt động sản xuất tăng, thiết bị hệ sử dụng nhiều điều khiển vi xử lý, máy vi tính, robot cơng nghiệp, hệ truyền động có điều khiển tốc độ, thiết bị điều khiển hệ thống thông tin công nghiệp,… chúng nhạy cảm với biến động chất lượng điện thiết bị sử dụng trước Mặt khác, việc trọng vận hành khai thác hiệu hệ thống lượng điện dẫn đến gia tăng việc áp dụng thiết bị hiệu suất cao điều chỉnh tốc động động cơ, tụ điện song song điều chỉnh hệ công suất để giảm tổn thất phát triển hệ thống nguồn lượng hệ thống điện mặt trời, hệ thống điện gió… Điều dẫn đến hậu tăng mức độ hài hệ thống điện, tăng biến cố dao động điện áp thay đổi tần số… Trong số nhiễu loạn hệ thống điện lõm điện áp loại nhiễu loạn nghiêm trọng có tần suất xuất lớn Lõm điện áp xảy thời gian ngắn, liên quan đến suy giảm điện áp nhảy góc pha, gây ảnh hưởng lớn đến tải nhạy cảm, gây dừng máy, sai lệch thông tin, dẫn đến phận khác dây chuyền bị dừng theo hay hoạt động sai… Vì vậy, lõm điện áp nhiễu loạn lựa chọn số khác nhiễu loạn liên quan đến chất lượng điện để nghiên cứu giảm thiểu luận văn Một giải pháp thơng dụng bảo vệ tải nhạy cảm khỏi lõm điện áp hệ thống cung cấp nguồn liên tục (UPS) Tuy nhiên, phương pháp áp dụng cho phụ tải công suất nhỏ điện áp thấp, với hệ thống công suất lớn UPS đắt tiền UPS phải đảm bảo hồn tồn cơng suất tải trường hợp Chương Điều khiển khôi phục điện áp động tức thời chuyển đổi điện áp nguồn cung cấp đến tọa độ quay tọa độ tĩnh trường hợp thuận lợi Ba phương pháp phát điện áp lõm trình bày Độ lớn vector không gian hệ tọa độ tĩnh αβ: |̅ | |̅ | (4.46) √ (4.47) Độ dài thành phần d thành phần q hệ tọa độ tham chiếu dq so sánh giá trị với giá trị giới hạn: (4.48) (4.49) Độ lớn vector sai lệch so sánh với giá trị ngưỡng: |̅ | |̅ | √( ) ( ) (4.50) (4.51) Tất ba phương pháp phát lõm điện áp đối xứng lớn mà khơng có nhảy góc pha Mặt khác, với lõm điện áp khơng đối xứng đưa số vấn đề việc phát Trường hợp phát lõm điện áp không đối xứng dù nhỏ bị chậm trễ trì hỗn phụ thuộc vào thời gian lỗi xảy điện áp nguồn phát giá trị giới hạn DVR phải tiếp tục hoạt động điện áp dường phục hồi Tất phương pháp có tác động hiệu việc phát lỗi không đối xứng Nếu lõm điện áp bao gồm góc nhảy pha, phương pháp phát giảm, mà khơng phát nhảy góc pha Trong phương pháp hai 59 Chương Điều khiển khôi phục điện áp động ba nhảy góc pha dẫn đến giảm hai thành phần d q Tuy nhiên, phương pháp ba có lợi đưa đến khả phát nhảy góc pha tham số phải so sánh Hình 4.12 kết mơ lỗi khơng đối xứng áp dụng cho ba phương pháp phát Trong phương pháp điều khiển phát lõm không mong muốn DVR phải thường xuyên thay đổi trạng thái từ chế độ bù sang chế độ chờ Lý do, thay đổi trạng thái dẫn đến DVR gây dao động, phát sóng hài gây biến dạng điện áp tải Để tránh thay đổi liên tục từ chế độ bù sang chế độ chờ, kiểu điều khiển trễ đưa vào Hai lọc kỹ thuật số sử dụng, lọc thông thấp với băng thông cao (khoảng 1kHz), đảm bảo DVR nhanh chóng vào chế độ hoạt động lọc thông thấp 50Hz), đưa DVR từ từ trở lại chế độ chờ Hình 4.13 minh họa nguyên tắc hoạt động mạch phát Hình 4.12 Phát lõm điện áp không đối xứng [8]: a) Điện áp nguồn ba pha với lỗi (né t liền) không lỗi (né t chấm gạch) b) Phương pháp độ lớn vector không gian c) Phương pháp ước tính thành phần d q d) Phương pháp độ lớn sai lệch vector 60 Chương Điều khiển khôi phục điện áp động Hình 4.13 Nguyên tắc hoạt động mạch phát có khả ngăn ngừa xung ngắn tín hiệu rơle on off [8] 61 Chương Mơ kết Chương MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Chương cuối luận văn trình bày việc xây dựng mơ hình mơ DVR dựa phần mềm Matlab/Simulink kết thu được, đồng thời đánh giá khả hoạt động DVR điều khiện xảy lõm điện áp lưới điện, từ đề xuất giải pháp ứng dụng DVR vào thực tế 5.1 Xây dựng mơ hình mơ Mơ hình mơ hệ thống xây dựng phần mềm Matlab phiên 2015a thư viện Simulink hãng Matwork 5.1.1 Xây dựng mơ hình hệ thống điện Mơ hình hệ thống điện phần mềm mô bao gồm thành phần sau: - - - Mơ hình lưới nguồn cung cấp hệ thống điện áp xoay chiều ba pha điện áp 220/380V tần số 50Hz Mơ hình khối tạo lõm điện áp: Để tạo lõm điện áp sử dụng khối tạo lõm điện áp Voltage-sag generator thực mơ trường hợp lõm điện áp pha, pha pha Mơ hình khơi phục điện áp động DVR: Bộ khôi phục điện áp động DVR mơ hình theo thành phần cấu tạo trình bày chương chương Tất tham số DVR lấy từ kết tính tốn thiết kế bảng 5.1 Mơ hình tải nhạy cảm bảo vệ bao gồm phần tử R, L, C với tham số tính tốn chương 5.1.2 Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển bao gồm thành phần trình bày chương 4, để thực mô cần thực điều khiển thành phần sau : - Điều khiển phát lõm: đưa tín hiệu đóng cắt cơng tắc để thực bù điện áp có lõm 62 Chương Mô kết - Điều khiển chuyển mạch biến đổi: sử dụng phương pháp PWM để - tạo xung điều khiển van biến đổi Điều khiển đồng lưới: Điều khiển đồng lưới thực mơ hình vịng khóa pha PLL Từ kết trên, ta xây dựng mơ hình DVR hình 5.1 bảng tham số bảng 5.1 Bảng 5.1 Bảng tham số mơ Thơng số phía nguồn Điện áp pha US 220√ V Tần số làm việc f 50Hz Thơng số phía tải Cơng suất tải PL kW Điện áp đặt tải 380V Dòng điện tải định mức 7.58A Điện cảm tải AC LL 2mH Tụ điện chiều CL 2mF Điện trở tải RL 15Ω Thông số DVR 2,5 kW Công suất DVR Điện áp định mức 380V Dòng điện định mức 7,58A 63 Chương Mô kết Thông số BBĐ IGBT FP75R12KE3 Giá trị điện cảm L 0,35mH Giá trị điện dung tụ C 1,32mF Thông số DC-link Điện áp định mức 515V Tụ phía chiều 10000 Thơng số MBA Công suất định mức 2,5 kVA Điện áp dây sơ cấp định mức 380V Hệ số máy biến áp n 3/10 Thông số điều khiển kpi 3.505 kii 0.8763 kpv 13.2 kiv 3.3 Bộ điều khiển dòng điện Bộ điều khiển điên áp 64 Chương Mô kết Hình 5.1 Sơ đồ mơ Matlab – Simulink 65 5.2 Kết mô Giả sử xảy lõm điện áp lưới điện khoảng thời gian t = 0.1s tương ứng với khoảng chu kỳ điện áp lưới, độ sâu lõm điện áp khoảng 50% so với điện áp trước lõm Kết mô trường hợp lõm pha, pha, pha chạm đất, chạm pha mơ tả hình 5.2, 5.3, 5.4 5.5 Trong đó, điện áp nguồn, điện áp DVR chèn vào, điện áp tải sau bù điện áp đầu nghịch lưu cầu thể Hình 5.2 Lõm điện áp pha 66 Hình 5.2 kết mơ hệ thống DVR trường hợp bù lõm điện áp pha chạm đất xảy thời điểm 0.1s, kéo dài đến 0.2s Do đó, điện áp DVR chèn cho pha xảy lỗi, thời gian đáp ứng DVR nhanh, đảm bảo cho điện áp tải giữ gần với điện áp nguồn trước lõm Hình 5.3 Lõm điện áp pha DVR chạy mô trường hợp lõm xảy pha chạm đất Mỗi pha có lõm khác nên điện áp DVR chèn vào khác 67 cho pha Có xuất độ điều chỉnh điều khiển nhanh chóng loại bỏ, đưa điện áp lại với mức ban đầu Hình 5.4 Lõm điện áp pha Lõm điện áp đối xứng DVR bù minh họa hình 5.4 Đây lõm xảy trường hợp pha lưới điện chạm đất Thời gian đáp ứng DVR lâu so với trường hợp khác khối lượng tính tốn nhiều hơn, nhiên DVR đáp ứng yêu cầu bù lõm nhanh, đảm bảo cho tải không bị ảnh hưởng lõm 68 Hình 5.5 Lõm điện áp pha chạm Trường hợp lõm điện áp pha chạm DVR bù nhanh chóng cho pha Điện áp tải có thay đổi khơng đáng kể thời điểm xảy lõm kết thúc lõm Nhận xét chung Kết mô phần mềm Matlab – Simulink trường hợp điện áp trước tải bị cố gây lõm điện áp cho thấy, DVR khôi phục điện áp giống điện áp trước xảy cố lõm điện áp đảm bảo chất lượng điện phục vụ cho tải nhạy cảm Khi có lõm 69 điện áp xảy ra, điện áp bơm vào hệ thống đảm bảo tính xác tác động nhanh thời gian chu kỳ điện áp Tuy nhiên, xuất số thành phần độ trình phát lõm bù lõm điện áp DVR đặt yêu cầu cải tiến điều khiển để đảm bảo chất lượng bù lõm điện áp DVR Bộ khôi phục điện áp DVR đáp ứng yêu cầu đặt đề tài cho thấy việc lựa chọn cấu trúc, thành phần cấu tạo DVR việc thiết kế điều khiển cho DVR phù hợp xác 70 Kết luận Kết luận Đề tài “Nghiên cứu thiết kế khôi phục điện áp động DVR khơng sử dụng kho tích trữ lượng” thực trình bày năm chương đáp ứng yêu cầu đặt Trong đó, đặc biệt, luận văn giải vấn đề cấu hình phần lực phương pháp điều khiển DVR nhằm khôi phục điện áp tải, đảm bảo cho phụ tải nhạy cảm không bị chịu tác động lõm điện áp từ phía nguồn cấp Mơ hình mơ luận văn xây dựng để bảo vệ tải chỉnh lưu thu kết phù hợp với yêu cầu đặt ra, kiểm chứng lại thiết kế, tính tốn, lựa chọn thành phần mạch lực mạch điều khiển cho DVR, làm tiền đề cho việc triển khai xây dựng mô hình thực nghiệm áp dụng vào thực tế Mặc dù cố gắng để thực đề tài phạm vi nghiên cứu, giúp đỡ nhiệt tình TS Phạm Việt Phương, có nhiều công việc cần thực liên quan đến đề tài để khơi phục điện áp động thực thực tế Vì vậy, để luận văn hồn thiện hơn, mong đóng góp ý kiến chân thành từ hội đồng đánh giá Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên Đinh Khắc Long 71 Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] J Manson and R Targosz, “European Power Quality Survey Report,” Leonardo ENERGY, 2008 [2] IEEE Std 1159-1995 [3] A Baggini, Handbook of Power Quality, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England: John Wiley & Sons Ltd, 2008 [4] C Sankaran, Power Quality, CRC Press LLC, 2002 [5] J V Milanović and S Z Djokić, “Advanced voltage sag characterisation,” IEE Proceedings: Generation, Transmission and Distribution, vol 153, no 4, pp 423-430, 2006 [6] R Strzelecki and G Benysek, Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008 [7] K Chan, A Kara, P Daehler and R Tinggren, Innovative System solutions for Power Quality Enhancement, Proc of CIRED, 1999 [8] J G Nielsen, Design and Control of a Dynamic Voltage Restorer, Aalborg University, Denmark Institute of Energy Technology Marts, 2004 [9] H Sree and N Mohan, “High-Frequency-Link Cycloconverter-based DVR for voltage sag mitigation,” Proc of Power Modulator Symposium, pp 97-100, 2000 [10] T D Trinh, T T Minh, N V Liễn and N Đ Minh, “Giảm thiểu ảnh hưởng lõm điện áp hệ thống điện công nghiệp khơi phục điện áp động,” Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, pp 39 - 46, 2014 72 Tài liệu tham khảo [11] V M Chính, P Q Hải and T T Minh, Điện tử công suất, Hà Nội: NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 [12] J Takushi, F Hideaki and A Hirofumi, “Design and Experimentation of a DVR Capable of Significantly Reducing an Energy-Storage Element,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol 44, 2008 [13] S S Choi, B H Li and D M Vilathgamuwa, “Design and Analysis of the Inverter-Side Filter Used in the DVR,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 17, 2002 [14] D D Sabin, T E Grebe, M F McGranaghan and A Sundarm, “Statistical Analysis of Voltage DIPs and Interruptions-Final results from the EPRI Distribution System Power Quality Monitoring Survey,” Proc of CIRED'99, vol 2, p 2, 1999 [15] N D Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Hà Nội: NXB Khoa học Kỹ thuật, 2009 [16] K Bhumkittipich and N Mithulananthan, “Performance Enhancement of DVR for Mitigating Voltage Sag/Swell using Vector Control Strategy,” Energy Procedia 9, pp 366-379, 2011 73 ... sử dụng ln phần điện áp cịn lại lưới [8] Mỗi phương pháp có đặc điểm riêng trình bày 2.5.1 Cấu trúc DVR có tích trữ lượng Bộ tích trữ lượng sử dụng cho DVR có điện áp cố định pin, ác quy hay điện. .. chất lượng điện năng, tập chung vào vấn đề xảy nhiều lõm điện áp, đồng thời tìm hiểu đặc điểm phương pháp giảm thiểu lõm hiệu sử dụng khôi phục điện áp động – DVR Chương 2: Cấu trúc khôi phục điện. .. đơn giản, hoạt động dựa lượng tích trữ tụ DC, đó, điện áp DC biến đổi Năng lượng lưu trữ Estorage tính bằng: 22 Chương Cấu trúc khôi phục điện áp động (2.9) Ở đây, uDC,rated: điện áp DC định mức