Nghiên cứu tính toán thông số bộ lọc của thiết bị DVR nhằm nâng cao hiệu quả trong ngăn chặn sụt giảm điện áp ngắn hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN MINH KHƠI NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THƠNG SỐ BỘ LỌC CỦA THIẾT BỊ DVR NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRONG NGĂN CHẶN SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN MINH KHƠI NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THÔNG SỐ BỘ LỌC CỦA THIẾT BỊ DVR NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRONG NGĂN CHẶN SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN Chuyên ngành : Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG NGỌC MINH Hà Nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tồn luận văn cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố Nếu sai với lời cam đoan trên, tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn PHAN MINH KHÔI LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu với nỗ lực thân, giúp đỡ tận tình thầy giáo môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Trương Ngọc Minh, tác giả hoàn thành luận văn với đề tài “Nghiên cứu tính tốn thơng số lọc thiết bị DVR nhằm nâng cao hiệu ngăn chặn sụt giảm điện áp ngắn hạn” Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc giúp đỡ tận tình thầy giáo TS TRương Ngọc Minh, xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Hệ thống điện - Trường đại học Bách khoa Hà Nội Viện Đào tạo sau đại học - Trường đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thời gian thực đề tài Do kiến thức cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận dẫn, góp ý thầy giáo, giáo để luận văn hoàn thiện Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN 13 1.1 Chất lượng điện 13 1.1.1 Độ tin cậy cung cấp điện 13 1.1.2 Chất lượng tần số .13 1.1.3 Chất lượng điện áp 14 1.2 Hiện tượng sụt giảm điện áp 15 1.3 Nguyên nhân gây sụt áp ngắn hạn 15 1.4 Các anh hưởng cố sụt áp ngắn hạn 15 1.5 Các đặc điểm tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn .15 1.6 Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp 16 1.7 Kết luận 17 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DVR .18 2.1 Cấu tạo thiết bị DVR .18 2.1.1 Bộ phận cấp lượng 18 2.1.2 Bộ biến đổi .21 2.1.3 Bộ lọc tần số chuyển mạch 27 2.1.4 Máy biến áp ghép nối tiếp 28 2.1.5 Lựa chọn sơ đồ cấu trúc cho DVR 28 2.2 Phương pháp xác định giá trị điện áp bù DVR 29 2.2.1 Phương pháp điều khiển tối ưu chất lượng điện áp 29 2.2.2 Phương pháp điều khiển tối ưu biên độ điện áp 30 2.2.3 Phương pháp điều khiển tối ưu lượng .30 2.3 Phương pháp Clark Park 31 2.4 Khóa pha PLL 34 2.5 Kết luận 36 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THƠNG SỐ L, C CỦA BỘ LỌC 37 3.1 Cấu trúc lọc tần số chuyển mạch 37 3.2 Phương pháp xác định thông số lọc [9] .39 3.2.1 Xác định giá trị cuộn cảm 40 3.2.2 Xác định giá trị điện dung 42 3.3 Kết luận 42 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA DVR 43 4.1 Sơ đồ mô 43 4.2 Thiết bị DVR 44 4.2.1 Bộ phận lưu trữ lượng .45 4.2.2 Mạch nghịch lưu 45 4.2.3 Mạch lọc 46 4.2.4 Máy biến áp ghép .48 4.2.5 Bộ điều khiển điện áp .48 4.3 Kết mô chưa lắp DVR 50 4.4 Kết mơ có lắp DVR hệ thống 51 4.4.1 Ngắn mạch ba pha chạm đất điện áp ba pha sụt giảm đến 45% giá trị danh định 51 4.4.2 Ngắn mạch hai pha A,B chạm đất gây sụt giảm đến 45% điện áp danh định 52 4.4.3 Ngắn mạch hai pha A B gây sụt giảm đến 40% điện áp danh định 53 4.4.4 Ngắn mạch chạm đất pha A gây sụt giảm 40% điện áp danh định 55 4.4.5 Khi điện áp nguồn thay đổi 56 4.5 Đánh giá ảnh hưởng lọc LC tới hiệu làm việc DVR 58 4.6 Kết luận 61 KẾT LUẬN CHUNG 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .63 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sụt áp pha sụt áp ba pha[2] 15 Hình 1.2 Cấu trúc DVR[7] 17 Hình 2.1 DVR với nguồn bổ sung điện áp chiều không đổi [7] 18 Hình 2.2 DVR với nguồn bổ sung điện áp chiều thay đổi [7] .19 Hình 2.3 DVR khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía nguồn [7] 19 Hình 2.4 DVR khơng sử dụng nguồn cấp bổ sung với chỉnh lưu nối phía tải [7] 19 Hình 2.5 Cấu trúc biến đổi nửa cầu kết nối MBA kiểu sao/sao hở .22 Hình 2.6 Cấu trúc biến đổi cầu ba pha kết nối MBA kiểu tam giác/sao hở 23 Hình 2.7 Các cấu trúc biến đổi kết nối trực tiếp pha 23 Hình 2.8 Cấu trúc biến đổi kết nối trực tiếp hệ thống ba pha 24 Hình 2.9 Mạch nghịch lưu cầu pha 25 Hình 2.10 Tín hiệu điều khiển van điện áp pha .26 Hình 2.11 Điện áp dây điện áp pha 26 Hình 2.12 Ngun tắc tạo xung thuật tốn điều chế SPWM 27 Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc DVR kết nối lưới phân phối [1] 28 Hin ̀ h 2.14 Ba phương pháp tính điện áp bù DVR [7] .29 Hình 2.15 Phép biến đổi Clark [6] 31 Hình 2.16 Phép biến đổi Park [6] 32 Hình 2.17 Điện áp hệ tọa độ ba pha ABC (Hình a) hệ tọa độ dq (Hình b) cố ba pha .32 Hình 2.18 Điện áp hệ tọa độ ba pha ABC (Hình a) hệ tọa độ dq (Hình b) cố pha A 33 Hình 2.19 Mơ hình vịng khóa pha PLL [6] 34 Hình 2.20 Cấu trúc vịng khóa pha thực hệ tọa độ dq [6] 34 Hình 2.21 Giản đồ vecto điện áp tọa độ αβ dq [6] 35 Hình 3.1 Tụ điện kết nối phía nguồn 37 Hình 3.2 Tụ điện kết nối phía nguồn tải .37 Hình 3.3 Cấu trúc lọc có tụ điện kết nối song song với biến đổi 38 Hình 3.4 Cấu trúc lọc LC phía biến đổi 38 Hình 3.5 Cấu trúc lọc RC phía nguồn 39 Hình 3.6 Dạng sóng đầu biến tần 40 Hình 3.7 Hình ảnh phóng to dạng sóng điện áp đầu dịng điện cực đại .41 Hình 4.1 Sơ đồ mơ 43 Hình 4.2 Sơ đồ mô thiết bị DVR 44 Hình 4.3 Thơng số lưu trữ lượng .45 Hình 4.4 Mạch nghịch lưu cầu ba pha 45 Hình 4.5 Sơ đồ thơng số mạch điều chế xung SPWM 46 Hình 4.6 Thông số mạch lọc thông thấp LC .47 Hình 4.7 Thơng số máy biến áp ghép 48 Hình 4.8 Khối biến đổi điện áp từ hệ tọa độ abc sang dq0 .48 Hình 4.9 Khối biến đổi điện áp từ hệ hệ tọa độ dq0 sang abc 49 Hình 4.10 Mơ hình khối PLL 49 Hình 4.11 Bộ điều khiển PI DVR .49 Hình 4.12 Điện áp ba pha nguồn 50 Hình 4.13 Điện áp ba pha tải 50 Hình 4.14 Hệ số méo tổng THD (%) 50 Hình 4.15 Điện áp ba pha nguồn 51 Hình 4.16 Điện áp ba pha tải 51 Hình 4.17 Điện áp bơm vào lưới DVR .51 Hình 4.18 Hệ số méo tổng THD (%) 52 Hình 4.19 Điện áp ba pha nguồn 52 Hình 4.20 Điện áp ba pha tải 52 Hình 4.21 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .53 Hình 4.22 Hệ số méo tổng THD (%) 53 Hình 4.23 Điện áp ba pha nguồn 53 Hình 4.24 Điện áp ba pha tải 54 Hình 4.25 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .54 Hình 4.26 Hệ số méo tổng THD (%) 54 Hình 4.27 Điện áp ba pha nguồn .55 Hình 4.28 Điện áp ba pha tải 55 Hình 4.29 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .55 Hình 4.30 Hệ số méo tổng THD (%) 56 Hình 4.31 Điện áp ba pha nguồn 56 Hình 4.32 Điện áp ba pha tải 57 Hình 4.33 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .57 Hình 4.34 Hệ số méo tổng THD (%) 57 Hình 4.35 Thơng số lọc LC 58 Hình 4.36 Điện áp ba pha tải 58 Hình 4.37 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .59 Hình 3.38 Hệ số méo tổng THD (%) 59 Hình 4.39 Thông số lọc LC 59 Hình 4.40 Điện áp ba pha tải 60 Hình 4.41 Điện áp bơm vào lưới điện DVR .60 Hình 4.42 Hệ số méo tổng THD (%) 60 Hình 4.9 Khối biến đổi điện áp từ hệ hệ tọa độ dq0 sang abc Giá trị sin cos phục vụ cho khối biến đổi lấy tín hiệu từ khối PLL (Phase Lock Loop) Trong giá trị góc xác định trường hợp điện áp nguồn danh định khơng có cố xảy mạch Hình 4.10 Mơ hình khối PLL Bộ điều khiển sử dụng điều khiển PI có thơng số sau: Hình 4.11 Bộ điều khiển PI DVR 49 4.3 Kết mô chưa lắp DVR Hình 4.12 Điện áp ba pha nguồn Hình 4.13 Điện áp ba pha tải Hình 4.14 Hệ số méo tổng THD (%) Nhận xét : Khi chưa lắp DVR, có sảy xảy ngắn mạch pha hệ thống điện áp tải bị sụt giảm 45% so với định mức, THD = 18,58% > 5% (tiêu chuẩn IEEE) 50 4.4 Kết mơ có lắp DVR hệ thống 4.4.1 Ngắn mạch ba pha chạm đất điện áp ba pha sụt giảm đến 45% giá trị danh định Hình 4.15 Điện áp ba pha nguồn Hình 4.16 Điện áp ba pha tải Hình 4.17 Điện áp bơm vào lưới DVR 51 Hình 4.18 Hệ số méo tổng THD (%) 4.4.2 Ngắn mạch hai pha A,B chạm đất gây sụt giảm đến 45% điện áp danh định Hình 4.19 Điện áp ba pha nguồn Hình 4.20 Điện áp ba pha tải 52 Hình 4.21 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 4.22 Hệ số méo tổng THD (%) 4.4.3 Ngắn mạch hai pha A B gây sụt giảm đến 40% điện áp danh định Hình 4.23 Điện áp ba pha nguồn 53 Hình 4.24 Điện áp ba pha tải Hình 4.25 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 4.26 Hệ số méo tổng THD (%) 54 4.4.4 Ngắn mạch chạm đất pha A gây sụt giảm 40% điện áp danh định Hình 4.27 Điện áp ba pha nguồn Hình 4.28 Điện áp ba pha tải Hình 4.29 Điện áp bơm vào lưới điện DVR 55 Hình 4.30 Hệ số méo tổng THD (%)  Nhận xét Với trường hợp cố ngắn mạch trên, điện áp nguồn vừa bị sụt giảm biên độ lại vừa bị nhảy pha Tuy vậy, điện áp ba pha tải đối xứng giữ ổn định suốt thời gian cố Điều cho thấy hiệu làm việc cao DVR chống sụt giảm điện áp ngắn hạn gây cố ngắn mạch hệ thống điện 4.4.5 Khi điện áp nguồn thay đổi Để xét hoạt động DVR điện áp nguồn thay đổi ta cho điện áp nguồn thay đổi bảng sau : Thời gian Giá trị điện áp 0÷0,1 0,1÷0,15 0,15÷0,2 0,2÷0,3 0,8 1,2 Kết mơ sau : Hình 4.31 Điện áp ba pha nguồn 56 Hình 4.32 Điện áp ba pha tải Hình 4.33 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 4.34 Hệ số méo tổng THD (%) 57  Nhận xét Với trường hợp điện áp nguồn thay đổi, điện áp nguồn bị dao động biên độ độ lớn Tuy vậy, điện áp ba pha tải đối xứng giữ ổn định suốt thời gian dao động điện áp nguồn Từ ta thấy hiệu làm việc chống sụt giảm điện áp thiết bị DVR không trường hợp ngắn mạch hệ thống điện mà cịn trường hợp có dao động điện áp nguồn lưới điện 4.5 Đánh giá ảnh hưởng lọc LC tới hiệu làm việc DVR Để xem xét ảnh hưởng lọc LC tới hiệu làm việc DVR ta sét trường hợp :  Thay đổi giá trị C giữ nguyên giá trị L Ta thay đổi giá trị C (nhưng đảm bảo cơng thức 4.3) hình 4.35 với cố ngắn mạch pha A gây sụt giảm điện áp tới 40% điện áp danh định Hình 4.35 Thơng số lọc LC Các kết mô thu sau: Hình 4.36 Điện áp ba pha tải 58 Hình 4.37 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 3.38 Hệ số méo tổng THD (%) Nhận xét: Từ kết thu trên, ta thấy, việc giữ nguyên giá trị cuộn cảm L tăng giá trị tụ điện C lọc làm cho hệ số méo tổng tăng (1,21%)  Thay đổi giá trị L giữ nguyên giá trị C Ta thay đổi giá trị L (vẫn đảm bảo theo công thức 4.2), giữ nguyên giá trị C hình 4.39 với cố ngắn mạch pha A gây sụt giảm điện áp tới 40% điện áp danh định Hình 4.39 Thơng số lọc LC 59 Các kết mô thu sau: Hình 4.40 Điện áp ba pha tải Hình 4.41 Điện áp bơm vào lưới điện DVR Hình 4.42 Hệ số méo tổng THD (%) Nhận xét: Từ kết thu trên, ta thấy, việc giảm giá trị cuộn cảm L giữ nguyên giá trị tụ điện C lọc làm cho điện áp tải, điện áp bơm vào DVR bị méo nhiều (độ không sin) Cùng với đó, biên độ điện áp tải (pha A) bị sụt giảm hệ số méo tổng tăng cao ( 2,9% vượt gấp 7,25 lần giá trị thu mô với giá trị L=1,5e-2 (H)) 60 4.6 Kết luận Các trường hợp cố ngắn mạch không đối xứng trên, biên độ điện áp bị sụt giảm, điện áp bị nhảy pha; mà điện áp ba pha nguồn khơng cịn đối xứng , xuất thành phần thứ tự nghịch thứ tự không chạy hệ thống Điện áp cần bù thay đổi theo pha yêu cầu điều khiển phải tính tốn xác điện áp cần bù pha Các kết mô cho thấy điều khiển DVR đáp ứng yêu cầu Điện áp ba pha tải DVR đưa trở lại thành đối xứng mà mặt biên độ mà góc pha điện áp phục hồi Bằng cách thay đổi thông số lọc để đánh giá hiệu làm việc DVR Với kết thu được, ta khẳng định thơng số cài đặt cho DVR mà tác giả đưa giúp nâng cao hiệu làm việc DVR lưới phân phối hạ áp 61 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn đề xuất phương pháp tính tốn thơng số lọc thiết bị DVR nhằm nâng cao hiệu ngăn chặn sụt giảm điện áp ngắn hạn hệ thống điện Các kết mô chứng tỏ tính đắn phương pháp đề xuất việc ngăn ngừa ảnh hưởng sụt giảm điện áp ngắn hạn điện áp tải Các dạng sụt giảm điện áp xảy ra, điện áp tải giữ ổn định biên độ góc pha Với thời gian tác động nhỏ, kĩ thuật phát tính tốn sụt giảm điện áp sử dụng biến đổi Clark Park có khả phát gần tức thời dạng sụt giảm điện áp đối xứng không đối xứng xảy hệ thống Đồng thời tính tốn nhanh chóng, xác mức độ điện áp cần bù pha theo thuật toán tối ưu chất lượng điện áp Kết hợp với điều khiển hồi tiếp điện áp đảm bảo chất lượng điện áp lý tưởng tải kể tình cố sụt giảm điện áp ngắn hạn nặng nề Điện áp tải điện áp đầu DVR dạng hình sin với số THD nhỏ cho thấy hiệu làm việc cấu hình mạch nghịch lưu cầu ba pha sử dụng thuật toán điều chế PWM kết hợp với mạch lọc LC Các kết nghiên cứu luận văn khẳng định DVR thiết bị tốt để bảo vệ cho phụ tải nhạy cảm trước tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn hệ thống điện 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Trần Duy Trinh (2014) Nghiên cứu điều khiển khôi phục điện áp động (DVR) để bù lõm điện áp cho phụ tải quan trọng xí nghiệp cơng nghiệp Luận án tiến sĩ điều khiển tự động hóa- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Phạm Quốc Hải (2009) Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất NXB Khoa học kĩ thuật [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2004) Điện tử công suất NXB Khoa học kĩ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang (2007) MATLAB &Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động NXB Khoa học kĩ thuật Tài liệu nước [6] M.V.Kasuni Perera (2007) Control of a Dynamic Voltage Restorer to compensate single phase voltage sags Master of Science Thesis, Stockholm, Sweden [7] John Godsk Nielsen (2004) Design and Control of a Dynamic Voltage Restorer Aalborg University, Denmark Institute of Energy Technology Marts [8] Michael H Bierhoff and Friedrich Wilhelm Fuchs (2009) Active Damping for Three-Phase PWM Rectifiers With High-Order Line-Side Filters IEEE Transactions on industrial electronics, vol.56, no.2, February 2009 [9] YAO Senjing; ZHU Zhengguo; ZHANG Huaying; CAO Junwei; ZHANG Guangyi (2014) The Design of Filter Parameters of Dynamic Voltage Restorer in Medium Voltage Network, Applied Mechanics & Materials 63 ... TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN Nội dung chương đề cập đến tiêu chất lượng điện Hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn hệ thống điện Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp ngắn hạn 1.1 Chất lượng điện. .. vào phương pháp sụt áp ngắn hạn, điều khiển lọc loại bỏ thành phần hài không mong muốn Nhằm nâng cao hiệu thiết bị DVR việc ngăn ngừa cố sụt giảm điện áp ngắn hạn, tác giả thực nghiên cứu, phân...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN MINH KHƠI NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THƠNG SỐ BỘ LỌC CỦA THIẾT BỊ DVR NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRONG NGĂN CHẶN SỤT GIẢM ĐIỆN